3. Взаимосвязь состава, строения и свойств материалов, способы формирования заданных структуры и свойств материалов при максимальном ресурсоэнергосбережении, методы оценки показателей их качества.

Материаловедение – это наука, изучающая взаимосвязь между составом, структурой и свойствами материала.

Строительные материалы должны отвечать тем или иным требованиям в зависимости от условий эксплуатации и назначения.

Чтобы ориентироваться в многообразии строительных материалов, их классифицируют по нескольким ведущим признакам:

1. По происхождению – природные и искусственные. Природные строительные материалы добывают в верх них слоях земной коры или на ее поверхности. Их используют в строительстве, либо вовсе не обрабатывая, либо после механической обработки. К этой группе относятся природные каменные материалы и древесина.

Искусственные строительные материалы получают из природного и техногенного сырья в результате глубокой переработки. В процессе их получения сырье, помимо механической обработки, претерпевает сложные химические и физические превращения. В результате получается продукт с новым комплексом свойств. Варьируя состав сырья и технологию получения можно в определенных пределах управлять свойствами искусственных материалов. Ассортимент искусственных материалов намного шире, чем природных. Сюда следует отнести цементы, бетоны, металлы, стекло, керамику, пластмассы, битумы.

2. По назначению – универсального типа и специального назначения. Строительные материалы универсального типа (кон- струкционные) пригодны для несущих конструкций. Это природные каменные материалы; искусственные каменные материалы, которые получают одним из двух способов: на основе обжига сырья (керамика, стекло, ситаллы) или без обжига в результате твердения вяжущих веществ (бетоны, строительные растворы). Это металлы, конструкционные пластмассы, лесные материалы. Ведущим показателем качества конструкционных материалов является прочность.

Строительные материалы специального назначения применяют для защиты конструкций от вредных воздействий среды, для создания комфорта и архитектурной выразительности. К этой группе относятся теплоизоляционные, акустические, кровельные, гидроизоляционные, антикоррозионные, огнезащитные, отделочные и тому подобные материалы. Их качество оценивают в первую очередь не по прочности, а по другим показателям: теплопроводности, звукопоглощению, водонепроницаемости и т.п.

3. По химической природе – неорганические и органические. В свою очередь, неорганические подразделяют на металлические и неметаллические. Металлические материалы – металлы и сплавы. Они являются наиболее дорогостоящей группой строительных материалов. В строительстве, главным образом, используются черные металлы: сталь, чугун. Реже – цветные металлы: алюминий, дюралюминий, медные сплавы.

Неметаллические, или минеральные материалы значительно дешевле металлов и объем их потребления в строительстве значительно больше. Это природный камень, керамика, стекло, неорганические вяжущие вещества, бетоны, строительные растворы, силикатный кирпич.

Органические материалы состоят из разнообразных соединений углерода. В стройиндустрии широко используются следующие группы органических материалов: древесина, битумы, дегти, полимеры.

Современные строительные материалы представляют собой сложные композиции, в которых работают совместно компоненты различной химической природы. Композиционные материалы позволяют рационально сочетать и наиболее полно использовать свойства каждого из компонентов.

Состав строительных материалов представляют разными способами. Состав композиционных материалов обычно выражают как расход компонентов на расчетную единицу материала. Однородные материалы характеризуют химическим составом, то есть указывают процентное содержание химических элементов, не уточняя, в виде каких соединений они находятся в материале.

Для прогнозирования свойств материала важно знать его вещественный или минеральный состав. Структура строительных материалов, то есть взаимное расположение частей внутри объема материала, характеризуется на разных уровнях: макро-, микро-, наноструктура.

Макроструктура – строение, которое обнаруживается при осмотре поверхности материала, как правило, в изломе невооруженным глазом или через лупу с десятикратным увеличением.

Макроструктуру большинства строительных материалов можно отнести к одному из следующих типов: – конгломератная; – ячеистая; – волокнистая; – слоистая. Микроструктура материалов изучается с помощью оптического или электронного микроскопа. Это позволяет детально рассмотреть взаимное расположение и облик мелких частиц, слагающих материал, который внешне выглядит однородным.

Наноструктура – это строение вещества на атомно- молекулярном уровне. Изучается физическими методами спектрального анализа и электронной микроскопией высокого разрешения.

Во многом свойства материала определяют количество, размер и характер пор. Например, пористое стекло (пеностекло) в отличие от обычного непрозрачное и очень легкое.

Форма и размер частиц твердого вещества также влияют на свойства материала. Так, если из расплава обычного стекла вытянуть тонкие волокна, то получится легкая и мягкая стеклянная вата.

В зависимости от формы и размера частиц и их строения макроструктура твердых строительных материалов может быть зернистой (рыхлозернистой или конгломератной), ячеистой (мелкопористой), волокнистой и слоистой.

Рыхлозернистые материалы состоят из отдельных, не связанных одно с другим зерен (песок, гравий, порошкообразные материалы   для   мастичной' теплоизоляции и засыпок и др.).

Конгломератное строение, когда зерна прочно соединены между собой, характерно для различных видов бетона, некоторых видов природных и керамических материалов и др.

Ячеистая (мелкопористая) структура характеризуется наличием макро- и микропор, свойственных газо- и пенобетонам, ячеистым пластмассам, некоторым керамическим материалам.

Волокнистые и слоистые материалы, у которых волокна (слои) расположены параллельно одно другому, обладают различными свойствами вдоль и поперек волокон (слоев). Это явление называется анизотропией, а материалы, обладающие такими свойствами, — анизотропными. Волокнистая структура присуща древесине, изделиям из минеральной ваты, а слоистая — рулонным, листовым, плитным материалам со слоистым наполнителем (бумопласт, текстолит и др.).

По взаимному расположению атомов и молекул материалы могут быть кристаллическими и аморфными. Неодинаковое строение кристаллических и аморфных веществ определяет и различия в их свойствах. Аморфные вещества, обладая нерастраченной внутренней энергией кристаллизации, химически более активны, чем кристаллические такого же состава (например, аморфные формы кремнезема — пемзы, туфы, трепелы, диатомиты и кристаллический кварц).

Существенное различие между аморфными и кристаллическими веществамисостоит в том, что кристаллические вещества при нагревании имеют определенную температуру плавления (при постоянном давлении), а аморфные размягчаются и постепенно переходят в жидкое состояние.

Прочность аморфных веществ, как правило, ниже кристаллических, поэтому для получения материалов повышенной прочности специально проводят кристаллизацию, например стекол при получении стеклокристаллических материалов — ситаллов и шлакоситаллов.

Неодинаковые свойства могут наблюдаться у кристаллических материалов одного и того же состава, если они формируются в разных кристаллических формах, называемых модификациями (явление полиморфизма). Например, полиморфные превращения кварца сопровождаются изменением объема. Изменением свойств материала путем изменения кристаллической решетки пользуются при термической обработке металлов (закалке или отпуске).

По взаимному расположению атомов и молекул материалы могут быть кристаллическими и аморфными. Неодинаковое строение кристаллических и аморфных веществ определяет и различия в их свойствах. Аморфные вещества, обладая нерастраченной внутренней энергией кристаллизации, химически более активны, чем кристаллические такого же состава (например, аморфные формы кремнезема — пемзы, туфы, трепелы, диатомиты и кристаллический кварц).

Существенное различие между аморфными и кристаллическими веществамисостоит в том, что кристаллические вещества при нагревании имеют определенную температуру плавления (при постоянном давлении), а аморфные размягчаются и постепенно переходят в жидкое состояние.

Прочность аморфных веществ, как правило, ниже кристаллических, поэтому для получения материалов повышенной прочности специально проводят кристаллизацию, например стекол при получении стеклокристаллических материалов — ситаллов и шлакоситаллов.

Неодинаковые свойства могут наблюдаться у кристаллических материалов одного и того же состава, если они формируются в разных кристаллических формах, называемых модификациями (явление полиморфизма). Например, полиморфные превращения кварца сопровождаются изменением объема. Изменением свойств материала путем изменения кристаллической решетки пользуются при термической обработке металлов (закалке или отпуске)

Методы оценки показателей качества материалов.

Условия эксплуатации конструкций следует учитывать при выборе материалов для их устройства. Например, морозостойкость щебня как крупного заполнителя в бетоне не должна быть ниже проектной морозостойкости бетона. В противном случае бетонное покрытие будет разрушаться из-за разрушения щебня. При многократном замораживании и оттаивании материал может разрушаться из-за того, что лед занимает объем примерно на 9 % больший чем вода, создает давление на стенки пор материала и он разрушается.

Основной причиной шелушения бетонных покрытий является несоответствие морозостойкости верхнего слоя и его прочности климатическим воздействиям и напряжениям от механической нагрузки.

Если для устройства цементобетонных покрытий используют гравий, то прочность такого бетона на изгиб наибольшая из-за пониженного сцепления гравия с цементным камнем.

При использовании тощего бетона в качестве дорожного основания важное значение имеет гранулометрический состав каменных материалов. Если гранулометрический состав тщательно подобран и обладает минимальной пустотностью, то для устройства такого основания требуется минимальное количество вяжущего.

Использование загрязненных заполнителей приводят не только к перерасходу вяжущего материала, но и ухудшает сцепление с цементным камнем, снижению морозостойкости бетона, интенсифицирует процесс шелушения, так как в верхних зонах покрытия скапливаются загрязняющие примеси. При строительстве дорожных оснований из укрепленных грунтов особое внимание следует уделять выбору вяжущего материала, исходя из химического состава грунта, так как это во многом определит водостойкость, морозостойкость и деформативность укрепленного грунта, срок его службы.

Введение извести в грунты повышает их водоустойчивость. Однако, как показывают лабораторные данные и опыт эксплуатации дорожных конструкций, морозостойкость грунтов, укрепленных известью, невелика. Поэтому применять грунты, укрепленные известью, в конструкциях, подверженных многократному попеременному замораживанию и оттаиванию, нельзя.

Ввиду очень медленного нарастания прочности грунта, укрепленного известью, физико-механические свойства этого материала целесообразно определять спустя 90 и более суток после его изготовления. Это относится и к грунтам, укрепленным золой уноса, золой уноса с добавками цемента или извести, известково-зольными, известково-шлаковыми цементами.

В летний период битум в слое покрытия или основания дорожной одежды должен обладать достаточной прочностью и невысокой деформативностью, иначе появятся деформации в виде волн. Зимой битум в слое дорожной одежды должен обладать достаточной деформативностью, что особенно важно при резком перепаде отрицательных температур, в противном случае появятся трещины.

В первый период эксплуатации дорожной одежды эти трещины не мешают проезду автомашин, но в эти трещины попадает весной вода, проникает в материал и может привести к его разрушению. В дальнейшем ширина трещин увеличивается, идет обламывание кромок и интенсивное разрушение покрытия и нижележащих слоев дорожной одежды.

Битум должен хорошо прилипать к каменному материалу, иначе покрытие будет шелушиться и быстро разрушаться.

Для повышения качества битума в его состав вводят полимерные и поверхностно-активные вещества, что заметно увеличивает сроки службы дорожных одежд.

Солнечная радиация и кислород воздуха способствуют старению органического вяжущего в слоях дорожных одежд, преимущественно в покрытии, что может значительно увеличить жесткость слоев, привести к их растрескиванию и разрушению конструкции.

Различные химические соединения, содержащиеся в окружающей среде, например, воде могут вступать в реакцию с материалами дорожной одежды - цементным камнем, щебнем и др., что приводит к их разрушению вследствие химической коррозии.

Для предотвращения разрушений необходимо, чтобы свойства материалов соответствовали условиям работы их в дорожной одежде. Испытания дорожно-строительных материалов должны моделировать их работу в слоях дорожных одежд с учетом воздействия колес автомашин и окружающей среды.

В процессе строительства материалы должны обладать рядом технологических свойств, без которых невозможно построить качественную дорожную одежду. Например, щебень должен хорошо уплотняться, в противном случае слой дорожной одежды будет неплотным, что может привести к его разрушению. Смеси на основе минеральных вяжущих должны обладать определенными сроками загустевания. При производстве бетонных работ не должны наблюдаться водоотделение и сегрегация смеси с обводнением верхнего слоя покрытия, в противном случае это может вызвать снижение морозостойкости и прочности покрытия.

Качество строительного материала должно удовлетворять определенным техническим требованиям, которые изложены в нормативных документах – стандартах различного уровня (ГОСТ, ТУ), а также в строительных нормах и правилах (СНиП).

Методы испытаний и оценка качества материалов на органических вяжущих.