Лекционный материал по учебному предмету «Материаловедение»

Содержание

I «Введение»

II Лекционный материал.

1.Лекционный материал к теме №1 «Основные свойства строительных материалов »

2.Лекционный материал к теме №2 «Минеральные вяжущие вещества и добавки к ним»

3.Лекционный материал к теме №3 «Органические вяжущие вещества»

4.Лекционный материал к теме №4 «Заполнители и наполнители для бетонов, смесей растворных и растворов строительных. Наполнители для мастик»

5.Лекционный материал к теме №5 «Композиции защитно-отделочные: грунтовки и шпатлевки»

6.Лекционный материал к теме №6 «Строительные растворы, сухие растворные смеси и мастики»

7.Лекционный материал к теме №7 «Плиточные изделия»

8.Лекционный материал к теме №8 «Вспомогательные материалы»

III. Литература

Введение

Лекционный материал к теме №1 «Основные свойства строительных материалов »

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.

Свойства строительных материалов многообразны и могут быть подразделены на физические, механические, химические, технологические и др.

Физические свойства

К физическим относятся свойства, выражающие способность материалов реагировать на воздействия физических факторов.

По физическому состоянию все вещества, в том числе и все материалы используемые в строительстве (строительные материалы) подразделяют на твердые, жидкие, газообразные и плазму.

В штукатурных и малярных работах используют материалы, которые находятся в твердом или жидком состоянии.

Твердым телом называют всякое тело, имеющее определенную форму.

Так, к твердым телам относят металлы, камни, лед, воск, битум, стекло и др. Твердые тела могут находиться в кристаллическом (гранит, металлы, лед) и аморфном (воск, стекло, эбонит) состояниях.

Твердые материалы, используемые в штукатурных и малярных работах, бывают сыпучими и комовыми.

Жидкость — агрегатное состояние вещества, сочетающее в себе черты твердого состояния (сохранение объема, определенная прочность на разрыв) и газообразного (изменчивость формы).

В процессе работы штукатуры и маляры имеют дело не только с твердыми и жидкими веществами, но и с так называемыми коллоидно-дисперсными системами и растворами, различными смесями, составами.

Дисперсные системы — образования из двух или большего числа фаз (тел) с сильно развитой поверхностью раздела между ними.

В дисперсных системах одна из фаз — дисперсная фаза — распределена в виде мелких частиц (кристалликов, капель, пузырьков) в другой фазе — дисперсионной среде — газе, жидкости или твердом теле.

Суспензия—система, в которой частицы твердой дисперсной фазы взвешены в жидкой дисперсионной среде.

К таким системам относятся готовые к применению краски, являющиеся суспензиями пигментов и наполнителей в связующих веществах и растворителях, шпатлевки, подмазочные пасты.

Эмульсия — система, состоящая из двух не растворяющихся друг в друге жидкостей, одна из которых (дисперсная фаза) распределена в другой (дисперсионной среде).

В суспензиях и эмульсиях частицы дисперсной фазы стремятся к седиментации, т. е. к осаждению. В дополнение к этому они могут коагулировать, сцепляться под действием молекулярных сил.

Коллоиды — промежуточные системы между истинными растворами и грубодисперсными системами.

Гелеобразование - одно из важнейших свойств коллоидных систем.

Гели образуются в результате действия молекулярных сил сцепления между коллоидными частицами. Образование гелей имеет значение для объяснения процессов твердения и свойств цементного камня и полимерных материалов.

Каждый материал имеет объем и обладает определенной массой.

Масса – совокупность материальных частиц, содержащихся в данном теле или веществе. Масса тела занимает часть пространства, т. е. имеет определенный объем; она постоянна для данного вещества и не зависит от ускорения свободного падения, от скорости его движения и положения в пространстве. Различные тела одинакового объема имеют неодинаковую массу, т. е. обладают разной плотностью.

Важнейшими параметрами физического состояния материалов являются плотность и пористость.

Плотность характеризуется отношением массы материала к его объему, длине, площади.

Истинная плотность ρ – масса единицы объема однородного материала в абсолютно плотном состоянии, т.е. без учета пор и пустот. Определяется отношением массы m (кг) материала к его объему V_а (м³) в абсолютно плотном состоянии: ρ = m/V_а (г/см³). Истинная плотность каждого вещества - постоянная физическая характеристика, которая не может быть изменена без изменения его химического состава. Плотностью, близкой к теоретической, обладает металлы, жидкости, стекло, полимеры.

Плотность твердых и жидких материалов сравнивают с плотностью воды. Наибольшая плотность воды при температуре 4ºС равна 1 г/см³. Истинная плотность вещества зависит от его химического состава.

Средняя плотность ρ_m – масса единицы объема материала в естественном состоянии, т.е. с порами и пустотами. Определяется отношением массы m (кг) материала к его объему V (м³) в естественном состоянии: ρ_m = m/V (г/см³).

Для сыпучих материалов определяют насыпную плотность.

Насыпная плотность ρ_н – масса единицы объема рыхло насыпанных зернистых материалов (песка, цемента, гравия, щебня): ρ_н = m/V.

Пористость – степень заполнения объема материала порами. Поры – малые ячейки, заполненные воздухом или водой. Пористость вычисляют по формуле: П = [(ρ – ρ_m)/ρ]×100 (%).

Различают открытую и закрытую пористость. Изменяя соотношение объемов открытых и закрытых пор, их размеров, в технологии материалов достигают получения материалов с заданными свойствами. При получении теплоизоляционных материалов стремятся увеличить пористость и создать им мелкопористую структуру. Для улучшения звукопоглощающих свойств стремятся создать в материале систему разветвленных и сообщающихся пор. От пористости материалов зависят их средняя плотность, прочность, водонасыщаемость, теплопроводность, морозостойкость, звукопоглащаемость.

Сыпучие и рыхлые материалы кроме пор имеют пустоты – воздушные полости между отдельными частицами материала.

Пустотность – отношение суммарного объема пусто т в рыхлом материале ко всему объему, занимаемому этим материалом. Для численного выражения пустотности необходимо знать плотность и насыпную плотность материала. Пустотность П_пуст вычисляют по той же формуле, что и пористость, и выражают в процентах.

Коэффициент плотности К_пл – степень заполнения объема материала твердым веществом; вычисляют его по формуле: К_пл = ρ_m/ρ. В сумме

К_пл + П = 1 (или 100 %), т. е. сухой материал состоит из твердого каркаса и воздушных пор.

При транспортировании, хранении и в конструкциях материалы могут подвергаться действию воды. Свойства, связанные с воздействием на материал воды, называются гидрофизическими.

Гигроскопичность – свойство пористо-капилярного материала поглощать влагу из воздуха. Степень поглощения зависит от температуры и относительной влажности воздуха. С увеличением относительной влажности и снижением температуры воздуха гигроскопичность повышается. Гигроскопичность характеризуют отношением массы поглащенной материалом влаги при относительной влажности воздуха 100 % и температуре + 20 ºС к массе сухого материала.

Гигроскопичность отрицательно сказывается на качестве строительных материалов.

К сильно гигроскопичным материалам относятся древесина и гипс. Характерные для древесины усушка и набухание, сопровождающиеся короблением и возникающие без непосредственного контакта с водой, являются следствием ее гигроскопичности. Снизить гигроскопичность можно, защищая поверхность материала гидрофобными или паронепроницаемыми веществами. Например, древесину покрывают водостойкими лаками и красками.

Рис. 1. Поведение капли воды на гидрофильной (а) и гидрофобной (б) поверхностях

Капиллярное всасывание — способность материала всасывать и передавать по своей толще влагу с помощью тонких капиллярных пор. Гидрофильные материалы, имеющие мелкие поры и капиллярные каналы, например кирпич, при соприкосновении с водой способны поглощать ее и поднимать по капиллярам на значительную высоту. Для защиты конструкций от увлажнения в результате капиллярного всасывания необходимо тщательно изолировать материал от источника увлажнения с помощью гидроизоляционных материалов.

Влажность – отношение массы воды, находящейся в данный момент в материале, к массе материала в сухом состоянии. Выражается в процентах.

Влажность меняется от 0 % до значения полного водопоглащения и зависит от пористости, гигроскопичности и от окружающей среды.

Влагоотдача — это способность материала терять находящуюся в его порах воду. Величину влагоотдачи определяют, измеряя (в процентах) количество воды, испарившейся из образца в течение суток при температуре воздуха 20 °С и его относительной влажности 60%. Вес испарившейся воды равен разнице между весом образца до начала опыта и весом образца после окончания опыта.

Величина влагоотдачи имеет большое значение, особенно для стеновых материалов. Свежеоштукатуренные стены всегда имеют повышенную влажность и, следовательно, недостаточную прочность.

Благодаря влагоотдаче стены высыхают, вода испаряется до тех пор, пока не установится равновесие между влажностью материала стен и влажностью окружающего воздуха, т. е. пока материал не достигнет воздушно-сухого состояния.

Некоторые пористые материалы поглощают воду из воздуха. Это свойство материалов называется гигроскопичностью. Величина гигроскопичности зависит от формы и размера пор.

Например, древесина, у которой внутри длинные узкие каналы, очень гигроскопична, а бетон и отвердевшие цементные растворы, у которых замкнутые поры, малогигроскопичны.

Водопоглощаемость — способность материала впитывать и удерживать воду. Процесс впитывания воды в поры называется водопоглощением и в лабораторных условиях проходит при нормальном атмосферном давлении. Образец постепенно погружают в воду и его полного водопоглощения достигают путем кипячения в воде, если температура 100°С не влияет на состав и структуру материала. Выдерживают образцы в воде в течение определенного срока или до постоянной массы.

Водостойкость - способность материала сохранять в той или иной мере свои прочностные свойства при увлажнении. Эти материалы можно применять в сырых местах без специальных мер по защите их от увлажнения. На стабильность структуры и свойств материала заметное влияние оказывает попеременное увлажнение и просыхание. Некоторые материалы принято проверять на водостойкость путем циклического насыщения образцов водой и их высушивания.

Водопроницаемость - способность материала пропускать воду под давлением.

Морозостойкость – способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и допустимого снижения прочности. Морозостойкость материалов связана с их плотностью, пористостью и водостойкостью. Плотные материалы значительно более морозостойки, чем пористые.

При замерзании воды в порах материала объем ее увеличивается примерно на 9 %, что сопровождается давлением льда на стенки пор, вызывающим разрушение материала. Однако во многих пористых материалах вода не может заполнить более 90 % объема доступных пор и образованный лед имеет пространство для свободного расширения. В связи с этим разрушение таких материалов происходит только после их многократного попеременного замораживания и оттаивания.

Испытание материалов на морозостойкость производят в холодильных камерах путем замораживания насыщенных водой образцов при температуре минус 20 ± 5°С и последующего их оттаивания и воде при температуре плюс 20 ± 5°С.

После заданного количества циклов попеременного замораживания и оттаивания определяют прочность на сжатие образцов, не имеющих видимых признаков разрушения, устанавливают степень морозостойкости, вычисляя коэффициент морозостойкости по формуле:

К_мрз = R_сж1 / R_сж,

где R_сж1 и R_сж – пределы прочности при сжатии образцов материала, полученные соответственно после испытания на морозостойкость, и образцов, насыщенных водой,— до замораживания.

Для морозостойких материалов К_мрз ≥ 0,75 (что соответствует предельно допустимому снижению прочности не более чем на 25 %).

Если после заданного числа циклов замораживания и оттаивания потеря в массе образцов из-за выкрашивания и расслаивания не превышает 5 %, а прочность на сжатие снижается не более чем на 25 %, то материал считается морозостойким.

Теплоёмкость тела — физическая величина, определяющая отношение бесконечно малого количества теплоты, полученного телом, к соответствующему приращению его температуры.

Воздухопроницаемость представляет собой массовый расход воздуха в единицу времени через единицу площади поверхности ограждающей конструкции (слоя ветроизоляции) при разнице (перепаде) давлений воздуха на поверхности конструкции.

Газопроницаемость — свойства вещества и в т. ч. горных пород пропускать газ благодаря наличию в них сообщающихся между собой пор или трещин. В свободных от воды порах и трещинах распространение газа происходит под влиянием разности давлений (эффузия) и газопроницаемость выражается в единицах дарси.

Газопроницаемость снижается c уменьшением размера зёрен и пор породы, уменьшением степени отсортированности и ростом содержания глинистой фракции, уплотнением и цементацией пород, a также c ростом напряжённого состояния (в упругой области обратимо). Определение газопроницаемость основано на измерении расхода газа (газометром) в единицу времени при определенном давлении; производится в лаборатории на образцах пород правильной формы в держателях, герметизирующих боковую поверхность (в режиме стационарной фильтрации при давлении газа больше и меньше атмосферного и нестационарной фильтрации при давлении меньше атмосферного), a также в устройствах, моделирующих термобарические условия залегания.

Паропроницаемость - способность материалов пропускать водяные пары, содержащиеся в воздухе, под действием разности их парциальных давлений на противоположных поверхностях слоя материала. С повышением температуры парциальное давление водяных паров увеличивается и водяной пар стремится попасть в область меньшего давления - на сторону слоя материала с меньшей температурой.

Паропроницаемость характеризуется коэффициентом паропроницаемости, который определяется количеством водяных паров в граммах, проходящим в течение 1 ч через слой материала площадью 1 м² и толщиной 1 м.

Расположение слоев из различных материалов не влияет на величину общего термического сопротивления строительной конструкции, однако, диффузия водяного пара, возможность и место выпадения конденсата определяют расположение утеплителя на внешней поверхности стены. Если паропроницаемость слоев подобрана ненадлежащим образом, влага, проникая в слой изоляции с теплой стороны жилого помещения, увлажняет изоляцию, а при температуре ниже нуля замерзает. Это вызывает ухудшение свойств тепло изоляции жилого дома и ее разрушение.

Теплопроводность - один из видов переноса теплоты (энергии теплового движения микрочастиц) от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящий к выравниванию температуры. При теплопроводности перенос энергии в теле осуществляется в результате непосредственной передачи энергии от частиц (молекул, атомов, электронов), обладающих большей энергией, частицам с меньшей энергией.

Теплоустойчивость - свойство ограждающей конструкции сохранять при колебаниях потока тепла относительное постоянство температуры на поверхности, обращенной в помещение, называется теплоустойчивостью.

От постоянства температуры на внутренней поверхности ограждающих конструкций зависит обеспечение условий комфорта для пребывающих в помещении людей.

Теплоустойчивость ограждающей конструкции обеспечивается преимущественно теплоемкостью слоя резких колебаний. В часы действия отопления тепло накапливается в этом слое, а при перерывах в работе отопительной системы поступает в помещение, согревая внутренний воздух и обеспечивая относительное постоянство его температуры.

Звукопроводность – свойство материалов проводить через свою толщу звук; она зависит от строения и массы материала. Тяжелые, пористые и волокнистые материалы плохо проводят звук.

Звукопоглощение – свойство материала поглощать и отражать падающий на него звук. Оно зависит от пористости материала, его толщины, состояния поверхности, от частоты звукового тона. Материалы с гладкой поверхностью хорошо отражают падающий на них звук. Материалы с открытой пористостью хорошо поглощают звук. Специальная акустическая штукатурка с мелкими открытыми порами хорошо поглощает и заглушает звук.

Электропроводность – свойство материала проводить электрический ток. электропроводными являются металлы, материалы во влажном состоянии – бетон, цементный камень, строительный раствор, древесина.

Огнестойкость характеризует способность строительных материалов выдерживать без разрушения действие высоких температур в течение сравнительно короткого промежутка времени (пожара). В зависимости от степени огнестойкости строительные материалы разделяют на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Несгораемые материалы в условиях высоких температур не подвержены воспламенению, тлению или обугливанию. При этом некоторые материалы почти не деформируются {кирпич, черепица), другие могут сильно деформироваться (сталь) или разрушаться, растрескиваться (природные камни, например гранит), особенно при одновременном воздействии воды, применяемой при тушении пожаров. Трудносгораемые материалы под воздействием высоких температур тлеют и обугливаются, но при удалении огня процессы горения, тления или обугливания полностью прекращаются. Среди такого рода материалов находятся фибролит, гидроизол, асфальтовый бетон и др. Сгораемые материалы воспламеняются и горят или тлеют под воздействием огня или высокой температуры, причем горение или тление продолжается также после удаления источника огня. Среди них — древесина, войлок, битумы, смолы и др.

Если источник высокой температуры (выше 1580°С) действует на материал в течение длительного периода времени (соприкосновение с печами, трубами, нагревательными котлами и т. п.), а материал сохраняет необходимые технические свойства и не размягчается, то его относят к огнеупорным. Огнеупорным и являются шамот, динас, магнезитовый кирпич и другие материалы, применяемые для внутренней футеровки (облицовки) металлургических и промышленных печей. Материалы, способные длительное время выдерживать воздействие высоких температур (до 1000°С) без потери или только с частичной потерей прочности, относят к жаростойким, например жаростойкий бетон, керамический кирпич, огнеупорные материалы и др.

Температуростойкость или термостойкость — способность выдерживать чередование (циклы) резких тепловых изменений, нередко с переходом от высоких положительных к низким отрицательным температурам. Это свойство материала зависит от степени его однородности и от способности каждого компонента к тепловым расширениям.

Радиационная стойкость — свойство материала сохранять свою структуру и физико-механические характеристики после воздействия ионизирующих излучений. Поток радиоактивного излучения при встрече с конструкциями из данного материала может поглощаться в разной степени в зависимости от толщины ограждения, вида излучения и природы вещества защиты. Для защиты от нейтронного потока применяют материалы, содержащие в большом количестве связанную воду; от γ-излучений — материалы с большой плотностью (свинец, особо тяжелый бетон). Связанную воду содержат гидратированные бетоны, лимонитовая руда (водный оксид железа) и др. Уменьшить интенсивность проникания нейтронного излучения через бетон можно путем введения в него специальных добавок (бора, кадмия, лития).