Литература / Гидрофизика_материалов

Гідрофізичні властивості матеріалів

Гідрофізичні властивості. Поводження матеріалів у конструкціях, які підлягають зволоженню, залежить від їхньої здатності змочуватися водою і поглинати її, змінювати при зволоженні механічні властивості і пропускати воду під тиском. Кількість води, що міститься в порах і на поверхні матеріалу, виражена у відсотках стосовно його маси в сухому стані, називають вологістю.

Змочуваність водою, чи гідрофільність матеріалу характеризується ступенем розтікання краплі води на його поверхні. Кількісно вона визначається крайовим кутом, утвореним дотичною до поверхні краплі з поверхнею твердого тіла, чи його косинусом. Для гідрофільних матеріалів крайовий кут гострий. Добре змочуються водою матеріали з речовин з вираженим полярним зв’язком молекул – природні і штучні кам’яні матеріали, скло й ін. Надати матеріалам водовідштовхувальні властивості можна гідрофобізацією, тобто створенням на їхній поверхні адсорбційного шару поверхнево-активних речовин (ПАР). Таким способом одержують гідрофобний цемент, гідрофобні покриття на ряді матеріалів. Молекули ПАР при гідрофобізації, адсорбуючись на поверхні, орієнтуються таким чином, що їхні полярні групи звернені до поверхні матеріалу, а вуглеводневі ланцюги – у повітря. За допомогою спеціальних ПАР можна домогтися і зворотного ефекту – гідрофілізації гідрофобних матеріалів.

Гігроскопічність – здатність матеріалу поглинати водяні пари з повітря в результаті адсорбції. Кількість адсорбованої води росте з підвищенням відносної вологості, зниженням температури і збільшенням тиску. Гігроскопічність може супроводжуватися утворенням нових сполук – гідратів і кристалогідратів. Так, при поглинанні води оксидом кальцію утвориться гідроксид. У мікрокапілярах пористих матеріалів з радіусом менш 10^–5 см пари води конденсуються. Відношення кількості води, поглиненої матеріалом, до загальної кількості цього матеріалу називається гігроскопічною вологістю. Максимальна гігроскопічна вологість різна для різноманітних пористих матеріалів: 4…9 % – для піску, 14…28 – для сосни, 9…25 % – для фіброліту. Вона росте з підвищенням капілярної пористості і зменшенням радіуса капілярів. Гігроскопічність змінює інші властивості матеріалів, приводить до втрати активності цементів, викликає зміну густини, розмірів і міцності деревини, збільшує теплопровідність.

Для капілярно-пористих матеріалів характерна здатність зволожуватися за рахунок підйому і переміщення води під дією капілярного тиску (капілярне всмоктування). З нею зв’язаний підйом води в матеріалах, прямо пропорційний косинусу крайового кута змочування, тобто ступеню гідрофільності, і протилежно пропорційний радіусу капілярів. Капілярне всмоктування мінералізованих вод може супроводжуватися відкладенням у порах солей (сольова корозія). Капілярне всмоктування використовується для просочення пористих матеріалів, наприклад, просочення бітумом залізобетонних конструкцій.

Водопоглинання – здатність матеріалів поглинати й утримувати воду. Розрізняють водопоглинення по масі W_m і по об’єму W₀:

де m₁, m₂ – маси сухого і насиченого водою матеріалу.

Водопоглинання по об’єму показує ступінь заповнення об’єму матеріалу водою, тобто відкриту уявну пористість. Зміна водопоглинання може вказувати на зміну й інших властивостей матеріалів, наприклад міцності, морозостійкості, хімічної стійкості, тому даний показник часто нормується. Так, глиняна цегла повинна мати водопоглинання не менш 6 чи 8 % (у залежності від марки), а силікатна – не більш 16 % (14 % – лицьова). Для звичайних торф’яних плит водопоглинання повинне бути не більш 180 %, а водостійких – 50 % і т.д. Водопоглинання визначається витримуванням зразків у воді при нормальній температурі чи при кип’ятінні протягом визначеного часу.

При насиченні матеріалу водою міцність його знижується в результаті розчинення контактів зростання кристалів, розклинюючого ефекту адсорбційних водяних шарів, хімічної взаємодії води з окремими компонентами, набрякання глинистих матеріалів і інших процесів. Здатність матеріалів зберігати міцність при насиченні водою називається водостійкістю. Показником водостійкості служить коефіцієнт розм’якшення:

де R_н.в – міцність матеріалу, насиченого водою; R_с – міцність сухого матеріалу.

Коефіцієнт розм’якшення наближається до нуля для глинистих невипалених матеріалів і до одиниці – для металів, скла, полімерів. Для водостійких матеріалів К_р = 0,75…0,8. Підвищення його досягається гідрофобізацією, а також технологічними прийомами, що сприяють зниженню розчинності і пористості матеріалів. Наприклад, коефіцієнт розм’якшення гіпсових виробів можна підвищити майже в 2,5 рази (від 0,3 до 0,7), замінивши будівельний гіпс на змішане гіпсоцементнопуцоланове в’яжуче.

Стійкість матеріалу, насиченого водою, до поперемінного заморожування і відтаювання називається морозостійкістю. Морозостійкість обумовлена опором матеріалів високому тиску, що виникає в їхніх порах при заморожуванні води. Кристалізація льоду супроводжується збільшенням об'єму приблизно на 8 % і розвитком тиску до 200 МПа. При чергуванні циклів заморожування і відтаювання в матеріалах накопичуються залишкові деформації, що приводять до руйнування (рис.2.2). Розходження коефіцієнтів термічного розширення компонентів, що входять у матеріали, також приводить до напруженого стану. Показником морозостійкості є число циклів (для деяких матеріалів – від'ємна температура), що витримують зразки при припустимому ступені руйнування. Для більшості будівельних матеріалів після іспиту їх на морозостійкість зниження міцності допускається не більш 25 %, а втрати маси – 5 %. Морозостійкість залежить від складу, пористості і структури порового простору; вона знижується зі зменшенням водостійкості і ростом водопоглинення матеріалів.

Для зниження тиску льоду ефективне утворення в матеріалі замкнутих повітряних пор, що виконують роль амортизаторів.

Випробування матеріалів на морозостійкість ведуть у морозильних камерах звичайно при –15...–18 °С, коли в більшості капілярів вода переходить у лід. Подальше зниження температури веде до істотного зменшення морозостійкості, що пояснюється залученням у процес руйнування усе більш тонких капілярів.

При роботі пористого матеріалу в умовах визначеного тиску води спостерігається її фільтрація. В залежності від структури порового простору можливі в’язкісний, капілярний чи дифузійний переноси води.

При в’язкісному переносі вода переміщається тільки у вигляді рідини, при капілярному вона може переноситися й у вигляді пари, а при дифузійному – у вигляді окремих молекул. Здатність матеріалів не пропускати воду під тиском називають водонепроникністю. Практично водонепроникними вважаються матеріали, відносна щільність яких наближається до одиниці (метали, скло, полімери). Високу водонепроникність мають матеріали із замкненими порами, а також ті, що вміщують в основному мікрокапіляри (кераміка, тонкодисперсні глини й ін.). Порівняно низька водонепроникність характерна для матеріалів зі сполученими капілярами.

Водонепроникність матеріалів виміряється трьома методами: тиском води, що витримує зразок протягом заданого часу без появи ознак фільтрації; часом, необхідним для проходження заданого об'єму води при постійному тиску; кількістю води, яка просочилася протягом заданого часу при встановленому тиску. Найбільш розповсюджений перший метод. Він застосовується для оцінки водонепроникності бетону, рулонних гідроізоляційних матеріалів, асфальтових мастик і т.д.

Характеристика глиноземистого цементу

Глиноземистий цемент. Глиноземистий цемент – швидкотвердіюча гідравлічна в’яжуча речовина, яка отримується тонким помелом клінкеру, в якому переважають низькоосновні алюмінати кальцію. Щоб отримати потрібний мінералогічний склад глиноземистого цементу, необхідно в сировинній суміші забезпечити переважання оксидів Аl₂О₃ (35…50 %) і СаО (30…45 %). З цією метою як вихідні матеріали застосовують високоглиноземисту сировину – боксити і вапняки. Подрібнюють глиноземистий цемент до проходження через сито №008 не менше 90 % маси проби. Водопотреба глиноземистого цементу така сама, як і в портландцементу (23…28 %), початок тужавлення наступає не раніше 30 хв. Через 5…6 год. твердіння міцність глиноземистого цементу досягає 30 %, а в добовому віці – 80…90 % марочної. На відміну від портландцементу і його різновидів марочна міцність глиноземистого цементу визначається не у віці 28 діб, а через 3 доби з моменту виготовлення зразків. Марки його М400, М500 і М600.

Глиноземистий цемент твердіє порівняно швидко не тільки при нормальних, але і при понижених позитивних температурах. Цьому сприяє його високе тепловиділення при гідратації. Бетони на глиноземистому цементі мають високу водо-, сульфато-, морозо- і жаростійкість. Глиноземистий цемент значно дорожчий від портландцементу, тому його застосовують тільки при аварійних роботах. На основі глиноземистого цементу випускають основні види розширних цементів: гіпсоглиноземистий і водонепроникний. Гіпсоглиноземистий отримують сумісним помелом клінкеру глиноземистого цементу і гіпсу в співвідношенні 70:30 (по масі), а водонепроникний – сумісним помелом або змішуванням 73…76 % глиноземистого цементу, 20…22 % гіпсу і 10…11 % високоосновних гідроалюмінатів кальцію. Особливістю цього цементу е короткі строки тужавлення: початок – не раніше 4 хв., кінець – не пізніше 10 хв.

Загальна характеристика полімерів та матеріалів з полімерів і пластмас

Пластичними масами називають матеріали, в яких в’яжучим є синтетичні високомолекулярні сполуки – полімери. Завдяки деяким позитивним властивостям – легкості, високій механічній міцності, стійкості у воді і різних агресивних середовищах, зносостійкості – пластмасові будівельні матеріали все більш широко застосовуються у всіх галузях будівництва. З них виготовляють труби, конструкційні, гідроізоляційні, лицювальні, покрівельні, герметизуючі матеріали, полімерні розчини та бетони та багато інших матеріалів і виробів.

Основні компоненти пластичних мас.

Основними компонентами пластичних мас є зв’язуючі (полімери) та наповнювачі. При необхідності вводять також різноманітні добавки – пластифікатори, стабілізатори тощо.

Синтетичні полімери – високомолекулярні сполуки, які отримують із низькомолекулярних речовин – мономерів в результаті реакцій полімеризації і поліконденсації. Молекулярна маса полімерів звичайно не менше 10000. До складу їх макромолекул належить понад 1000 атомів. Полімери класифікують за різноманітними ознаками: способом отримання, особливостями розташування атомів в молекулі та довжині основного ланцюга, відношенням до температури, фізико-механічними властивостями, хімічним складом та ін. Вихідними матеріалами для виробництва синтетичних полімерів обох груп є природний газ, кам’яне вугілля, нафта. Із вихідної сировини виготовляють низькомолекулярні сполуки – мономери. В залежності від способу отримання полімери поділяють на полімеризаційні та поліконденсаційні.

Полімеризація – це реакція, при якій високомолекулярна сполука виникає із низькомолекулярної (мономера) без відщеплення побічних продуктів. Прикладом полімеризації є реакція утворення поліетилену (-СН₂-СН₂)_n із мономера – етилену СН₂ = СН₂: ...+СН₂ = = СН₂+СН₂ = СН₂+…=…-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-...

Високомолекулярні сполуки при полімеризації утворюються за рахунок розімкнення кратних зв’язків або кілець у циклічних сполуках під дією різних факторів: температури, світла, каталізаторів тощо.

Поліконденсація – це реакція, при якій створюються високомолекулярні сполуки (поліконденсати), а як побічні – низькомолекулярні продукти (вода, спирт, вуглекислий газ та інші). Поліконденсати звичайно мають короткі ланцюги і меншу молекулярну масу порівняно з полімеризаційними полімерами. Як полімеризаційні, так і поліконденсаційні полімери мають лінійну, гілчасту або просторову будову макромолекул. Полімери, що здатні при нагріванні багаторазово розм’якшуватися і набувати пластичність, а при охолодженні тверднути, називають термопластичними. Термопластичні полімери мають лінійну або гілчасту структуру і отримуються переважно реакцією полімеризації (поліетилен, полівінілацетат, полівінілхлорид та інші). Полімери із просторовою будовою макромолекул не можуть після отвердіння знову при нагріванні набувати пластичності, і їх називають термореактивними (реактопластами). До них належить більшість поліконденсаційних смол (фенолформальдегідні, епоксидні тощо). Якщо такі полімери мають більше поперечних зв’язків (густіша “сітка”), то їх міцність та пружність вище, нижче текучість тощо.

Характерними фізико-механічними властивостями, за якими класифікують полімерні матеріали, є пружність і деформативна здатність. Високомолекулярні сполуки, які здатні під дією зовнішніх сил деформуватись обернено, називають еластичними (еластомірами), а ті, що деформуються пластично, тобто необернено – пластиками (пластомірами). До еластиків належать, наприклад, різноманітні каучуки, а до пластиків – більшість полімерів, які утворюють пластмаси.

Наповнювачі вводять для поліпшення низки властивостей та зниження вартості пластмаси. Наповнювачі бувають органічні і мінеральні, порошковидні, волокнисті, листові. Порошковидними наповнювачами є тирса, деревинне і кварцове борошно, тальк та інші. Із сумішей порошковидних наповнювачів і полімерів отримують прес-порошки, із котрих виготовляють вироби і деталі різного призначення із високою ударною міцністю і водо- та хімічною стійкістю.

Особливо високі механічні властивості надають пластмасам волокнисті та листові наповнювачі. Із волокнистих наповнювачів застосовують скловолокно, азбест, бавовну, синтетичні волокна, із листових – папір, фольгу, тканину.

Для підвищення пластичності полімерів, їх гнучкості, розтягнення і поліпшення умов переробки на пластмаси додають добавки – пластифікатори. Для уповільнення і запобігання процесу старіння полімерів вводять добавки – стабілізатори.

Властивості пластмас змінюються в залежності від виду полімерного зв’язуючого та наповнювача, їх співвідношення, виду добавок тощо. Загальними властивостями пластмас є їх порівняно низька дійсна густина (не більш як 2000 кг/м³), висока міцність при стисканні та розтягненні, хімічна стійкість, здатність легко та стало офарблюватись, стійкість проти стираючих зусиль, висока технологічність (здатність до обробки, до склеювання та зварювання тощо).

Одним з найважливіших критеріїв ефективності будівельних матеріалів є коефіцієнт конструктивної якості – відношення границі міцності при стисканні до середньої густини. Цей коефіцієнт для полімерів та щільних пластмас на їх основі є значно більш високим, ніж для більшості інших будівельних матеріалів, та дорівнює 1…2 або понад 2.

Полімерні матеріали необернено деформуються при тривалих навантаженнях. Модуль пружності їх порівняно низький. Повзучість пластмас суттєво обмежує експлуатаційні навантаження при використанні їх як конструкційних матеріалів.

Теплопровідність пластмас порівняно невисока і коливається від 0,28 до 0,46 Вт/(м∙°С). На практиці слід враховувати значне теплове розширення полімерних матеріалів, воно у поліетилену, наприклад, більше, ніж у сталі у 30 разів. Високе термічне розширення в сполученні із низькою теплопровідністю може викликати в пластмасах внутрішні напруження та появлення тріщин. Для більшості пластмас є характерними низька теплостійкість, горючість. Під зовнішнім впливом середовища в полімерних матеріалах, внаслідок складних хімічних та фізико-хімічних процесів, здійснюється необернена зміна важливих експлуатаційних властивостей – старіння.

Вироби із пластмас отримують різноманітними методами, вибір яких залежить від властивостей компонентів, конфігурації виробів тощо. Так, вироби із термопластичних полімерів отримують шляхом лиття або екструзії – вичавлювання крізь мундштук, а із теплореактивних полімерів – гарячим пресуванням.

Конструкційні пластмаси. Для несучих та огороджувальних конструкцій, що сприймають навантаження і забезпечують захист споруд та необхідний температурно-вологісний режим, застосовують деревношарові пластики, склопластики, листовий вініпласт, оргскло, полімерні бетони.

Деревношаруваті пластики - різновид пластмас наповнювачем яких є деревний шпон, тобто тонкі листи деревини товщиною 0,3...2,1 мм, що одержують за допомогою лущильних верстатів з розпарених кряжів берези, вільхи та бука. Шпон просочують розчинами фенолформальдегідних полімерів і збирають в пакети, що піддають гарячому пресуванню на гідравлічних пресах. Листи деревно-шаруватих пластиків виготовляють довжиною 700... 5600 мм і товщиною 1...60 мм. Середня густина їх складає 1250...1330 кг/м³, границя міцності при розтязі вздовж волокон 140...260 МПа, водопоглинання за 24 год не більше 2...3%.

За основними фізико-механічними властивостями деревно-шаруваті пластики перевершують вихідну деревину. Їх можна застосовувати для виготовлення різних несучих конструкцій – балок, ферм, арок, а також деталей в стикових та вузлових сполученнях клеєних клеєфанерних конструкцій.

Склопластики завдяки високій міцності, легкості, стійкості в різних середовищах і прозорості широко застосовуються в будівництві.

Наповнювачем склопластиків є скляне волокно у вигляді ниток, джгутів і тканин. Скляне волокно має міцність при розтязі 300...500 МПа при діаметрі відповідно 50...3 мкм. Як зв'язуючі застосовують фенолформальдегідні, епоксидні, поліефірні, поліамадні та кремнійорганічні смоли.

Властивості склопластиків залежать від виду скловолокнистого наповнювача, смоли та від їх співвідношення. При паралельному розміщенні волокон чи джгутів виготовляють орієнтовані склопластики, до яких відносяться скловолокнистий анізотропний матеріал (СВАМ), що має особливо високу міцність. Міцність СВАМ при повздовжньому чи поперечному розтязі не менша 350...450 МПа, а при розтязі під кутом 45° — майже в 2 рази нижча.

Міцнісні показники склопластиків знижуються під дією підвищених температур і води. Склопластики можуть піддаватися всім видам механічної обробки. Легкі конструкції на основі склопластиків дозволяють зводити будови в 8 раз легші, ніж з крупних залізобетонних панелей.

Найбільш розповсюджені в будівництві напівпрозорі та прозорі листи склопластиків на основі поліефірних полімерів. Світлопропускання їх до 90 % на 1,5 мм товщини, в тому числі до 30% в ультрафіолетовому спектрі. Світлопрозорі склопластики застосовують для несучих елементів світлопропускаючих панелей стін; покриття типу оболонок і т.п. (рис. 2.9).

Із склотканин, просочених полімерним зв'язуючим, можна отримати листовий матеріал - склотекстоліт.

Органічне скло — прозора безбарвна термопластична пластмаса. Найважливішими особливостями його є висока ударна міцність і здатність пропускати ультрафіолетові промені. Оргскло добре формується у вироби при температурі 105...170°С, склеюється та зварюється, легко утворює криволінійні поверхні і піддається механічній обробці. Середня густина його близько 1200 кг/м³. Випускають оргскло в листах і блоках різної товщини і марок. Органічне скло ефективно застосовують для світлопрозорих огороджень. Особливо доцільно використовувати оргскло для будівництва теплиць і парників.

В полімербетонах роль в'яжучого виконують синтетичні полімери: фенолформальдегідні, фуранові, поліефірні, епоксидні та ін. Для виробництва полімербетонів одержали розповсюдження фурфуролацетонові полімери (ФА, ФАМ та ін.), які є різновидом фуранових смол. Як затверджувач фурфуролацетонових полімерів застосовують сульфокислоти (бензосульфокислоту, сірчану кислоту), хлориди заліза чи алюмінію та ін. Відмінною особливістю полімербетонів є висока хімічна стійкість. В кислих і окислювальних середовищах поряд з фурановими є стійкими полімербетони на поліефірних і фенолформальдегідних смолах. Для останніх характерна також висока радіаційна стійкість.

Комплексом позитивних особливостей, в тому числі високою водостійкістю, стійкістю до змочування, хімічною стійкістю, адгезійною здатністю, характеризуються полімербетони на епоксидних смолах. Як затверджувачі до них застосовують поліаміни, аміди, щавелеву кислоту, ангідриди (малеїновий, фталевий та ін.), а також деякі інші сполуки. На відміну від інших конденсаційних полімерів епоксидні смоли тверднуть без виділення побічних продуктів, що полегшує виготовлення виробів та підвищує їх якість. Для покращення деформативних властивостей епоксидні смоли поєднують з пластифікаторами. Вони часто застосовуються також в комбінації з іншими полімерами, що покращують ряд властивостей та знижують вартість епоксидних сумішей.

Полімерний характер в'яжучого в полімербетонах обумовлює їх високу міцність не тільки при стиску, але й при згині та розтязі. Так, міцність при згині поліефірних та епоксидних бетонів досягає 35...45 МПа.

Полімербетони застосовують для стійких до зношення облицювань на гірських водозабірних спорудах, які захищають цементний бетон від дії донних наносів, а також на високонапірних гідроелектростанціях, де швидкості потоку у водопропускних спорудах досягають 35...50 м/с. Вони ефективні також для виготовлення траверс ВЛ, контактних опор та інших конструкцій з високим електроопором.