Сессия 2. Физические, механические, химические

• Название: Физические, механические, химические
• Дата: 12.12.2022
• Размер: 1.66 Mb.
• Имя файла: Сессия 2.docx
• Тип: Документы; #840699
• страница: 1 из 7

№1. Свойства строительных материалов.

Свойства строительных материалов принято разделять на физические, механические, химические, технологические. Такое разделение является условным, т.к. механические и технологические свойства по сути являются физическими.

К технологическим относят свойства, характеризующих способность материалов к обработке, например, сыпучесть, дробимость, шлифуемость, текучесть, свариваемость, гвоздимость, удобоукладываемость и др.

Технологические свойства в курсе «Архитектурное материаловедение» не рассматриваются.

В данном курсе изучаются следующие важнейшие физические свойства строительных материалов:

- параметры структурного состояния материалов:

- плотность (истинная, средняя, насыпная). Материал состоит из вещества и пор, заполненных воздухом или газом.

ƍ=𝑚/𝑉; ƍи=𝑚/(𝑉−𝑉п)

ƍ — средняя плотность

m – масса материала в куске

V – общий объем, занимаемый куском

Vп — объем пор

ƍи — истинная плотность без учета пор – абсолютный объем

ƍп = ƍ в материалах, где нет пор (стекло, металл)

ƍ=𝑚/(𝑉−𝑉пустот)

ƍн — насыпная плотность

V – весь сыпучий материал

Vпустот — объем пустот (все пространство между зернами)

ƍн < ƍ сыпучие материалы (гравий, песок, щебень)

Истинная плотность всегда выше средней, если пористость не нулевая. Насыпная плотность всегда меньше средней. Пенопласт – наименее плотный строительный материал. Металлы (сталь, медь, алюминиевые сплавы) – наиболее плотный. Если не брать в расчет металлы, наиболее плотными являются каменные материалы.

- пористость и пустотность

Пористость – это относительное содержание (объем) пор в материале. Измеряется чаще в процентах.

Пустотность – аналогичный показатель для сыпучих материалов. Относительное содержание (объем) межзерновых пустот в сыпучем материале. Показатель «пустотность» определяется и в изделиях.

Vпор =𝑉п/𝑉 Vпуст =𝑉пустот/𝑉

Vпор =(1−ƍ/ƍи)×100% Vпуст =(1−ƍн/ƍ)×100%

- гидрофизические свойства:

- влажность (абсолютная, относительная)

Влажность — это относительное содержание влаги в материале.

Абсолютная Относительная

Wа = (𝑚вл−𝑚с)/𝑚𝑐×100% Wо = (𝑚вл−𝑚с)/𝑚вл×100%

применяется чаще (в текстах – влажность) применяется реже

mвл — масса влажного материала

mс — масса сухого материала

- гигроскопичность

гигроскопичность — способность материала поглощать влагу из окружающей газовой среды (чаще всего – воздух).

В большинстве случаев отрицательное свойство. Вызывает коррозию, снижение прочности материала, деструкцию (при отрицательных температурах вода застывает)

Wr = (𝑚вл−𝑚с)/𝑚𝑐×100%

влажность может быть любой в разных условиях, а Wr является const.

Wr – влажность в конкретных условиях
- водопоглощение (по массе, по объёму)

водопоглощение — способность материала впитывать и удерживать в себе воду.

По массе по объему

Wпогл = (𝑚вл−𝑚с)/𝑚𝑐×100% Wпогл. о. = (𝑚вл−𝑚с)/𝑉∗ƍв×100%

Wпогл. <> 100%

V – объем материала

ƍв — плотность воды (const)

Wпогл.о.< 100%

- морозостойкость – способность материала выдерживать без разрушения попеременное замораживание и оттаивание в насыщенном водой состоянии. Численно характеризуют маркой по морозостойкости (F150). Марка обозначает количество циклов замораживания-оттаивания, которое материал способен выдержать без разрушений.

- водонепроницаемость – способность материала не пропускать воду под давлением через свою толщу.

- водостойкость – 2 показателя.

Физический – способность материала не снижать свою плотность при насыщении водой. Численно – коэффициент размягчения.

Кр = Rн/Rс , где Rн и Rс – пределы прочности одного и того же материала соответственно в насыщенном водой и в сухом состоянии

Все материалы (кроме тех, у которых пористость нулевая), поглощая воду, снижают свою плотность. Водостойкие – те, у которых коэффициент размягчения больше 0,8.

Химический – способность материала выдерживать без разрушений длительное воздействие воды.

- паропроницаемость – способность пропускать через свою толщу водяные пары;

- теплофизические свойства:

- теплопроводность – способность материала проводить (пропускать) тепло через свою толщу. Численно характеризуется коэффициентом теплопроводности. Коэффициент теплопроводности – это количество теплоты, прошедшее через образец толщиной L, площадью S за время 𝜏 при перепаде температур на противоположных поверхностях 𝛥𝑡.




λ=𝑄∗𝐿/𝑆∗𝜏∗𝛥𝑡 (Втм∗К)

Q -количество теплоты

L – толщина образца

S – площадь образца

τ - время

Δt – перепад температур на противоположных сторонах образца, перпендикулярных направлению основного потока Q.

Лучший теплоизолятор — пенопласты (λ может доходить до 0,028 Вт/м∗К). Прекрасно проводят тепло металлы (сталь – 50-60 Вт/м*К; алюминий – 230; медь – 400). Нано-трубки – 6000.

- огнестойкость – способность материалов определенное время сопротивляться воздействию открытого огня.

Несгораемые материалы, трудносгораемые, сгораемые.

трудносгораемые — материалы, которые горят или тлеют только под воздействием огня и сразу прекращают тлеть или гореть при отсутствии огня.

Для конструкций устанавливают предел огнестойкости в минутах (время, в течение которого конструкция сохраняет заданные характеристики), так же устанавливаются признаки:

- потеря несущей способности R

- потеря целостности E

- потеря теплоизолирующей способности I

- огнеупорность – это способность материала длительное время выдерживать без разрушений воздействие высокой температуры. Синонимы – жаропрочность, жаростойкость.

1580 градусов Цельсия и более – огнеупорные (классический огнеупорный кирпич 1580 не выдерживает)

1350-1580 – тугоплавкие

Меньше 1350 – легкоплавкие

Механические свойства строительных материалов:

- механическое напряжение – мера деформаций.


Деформация – изменение формы и (или) размеров материала без нарушения его целостности. Различают деформации собственные и несобственные.

Собственные – за счет физических и химических процессов внутри самого материала. Несобственные – связаны с внешними воздействиями.
σ = 𝐹/𝑆Мпа

F - нагрузка

S — площадь сечения

- прочность – способность материала сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим при воздействии внешней нагрузки. Численно характеризуется пределом прочности.

Различают следующие пределы прочности:

1. 
   При осевом сжатии Rсж =Fр/S, где Fp – разрушающая нагрузка, S -площадь сечения.
   
2. 
   При растяжении Rр =Fр/S
   
3. 
   При изгибе (на растяжение при изгибе) Rизг = 𝑘∗𝐹𝑝∗𝑙/𝑏∗ℎ2
   

k – безразмерный коэффициент (зависит от схемы нагружения)

Fp – разрушающая нагрузка

l – база (расстояние между дальними опорами)

b – ширина образца

h – толщина образца (высота)

Вычисление предела прочности при раскалывании для разных случаев.

Rpp =2𝐹𝑝/𝜋∗𝑑- для цилиндра, d - диаметр

Rpp =0,52𝐹𝑝/а2- для образца квадратного сечения

Rpp =𝐹𝑝/𝑑∗𝑙- для образцов цилиндров, но используется для испытаний асфальтов, бетонов.

- деформативные свойства

- упругость, модуль упругости

Модуль упругости — это размерный коэффициент, который связывает между собой механическое напряжение и деформацию (как правило линейную).

E=𝜎/𝜀𝜄

σ — механическое напряжение

εL – линейная деформация

εL = (𝑙2−𝑙1)/𝑙1 – линейная деформация

εv = (𝑉2−𝑉1)/𝑉1- объемная деформация. Применяется для древесины или теоретических расчетов.

Чем больше деформация, тем меньше модуль упругости.

Упругость – способность материала восстанавливать первоначальные форму и размеры после окончания действия нагрузки.

- пластичность – способность материала сохранять форму по окончании действия нагрузки.

Любой материал проявляет и те, и другие свойства.

- хрупкость - способность материала разрушаться при небольших, преимущественно упругих деформациях. При напряжениях, меньших предела текучести.

- твёрдость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого материала.

Шкала Мооса:

1 – тальк или мел

2 – каменная соль или гипс

3 – кальцит или ангидрит

4 – плавиковый шпат

5 – апатит

6 – полевой шпат

7 – кварц

8 – топаз

9 – корунд

10 – алмаз

К химическим относят свойства материалов, характеризующие их способность сохранять длительное время свои эксплуатационные свойства при действии агрессивной среды.

№2. Генетическая классификация горных пород. Основные породообразующие минералы. Применение горных пород в строительстве. Фактура каменных материалов. Защита каменных материалов от коррозии.

Горные породы — это минеральные массы более-менее постоянного состава, состоящие из одного или нескольких минералов, слагающие земную кору в виде самостоятельных геологических тел.

Минерал — это природное тело однородное по химическому составу и физическим свойствам.

Основные породообразующие минералы:

1. 
   Минералы изверженных горных пород
   

• 
  Кварц. SiO2. Может быть в виде самостоятельной горной породы (кварцевый песок, кварцевое стекло, горный хрусталь, халцедон) или входить в состав полиминеральных горных пород. Тв. 7. Rс ≈ 2 ГПа. Стоек к действию кислот (кроме плавиковой) и атмосферы. Температура плавления 1710 °С (при быстром охлаждении образуется кварцевое стекло). Реагирует с известью при (150 – 200) °С в среде насыщенного пара.
  
• 
  Полевые шпаты. Алюмосиликаты. Общая формула А[AlSi₃O₈], где А – Na, K, Ba. Тв. 6. Имеют плоскости спайности, по которым легко раскалываются. По характеру спайности подразделяются на ортоклазы (прямо раскалывающиеся: К₂O∙Al₂O₃∙6SiO₂) и плагиоклазы (косо раскалывающиеся: Na₂O∙Al₂O₃∙6SiO₂ – альбит, СаO∙Al₂O₃∙2SiO₂ – анортит). Rс = (120 – 170) МПа. Относительно легко выветриваются с образованием алюмосиликатов (глинистых и др. минералов) или карбоната кальция: СаO∙Al₂O₃∙2SiO₂ + СО₂ + Н₂O → Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O + СаСО₃.
  
• 
  Слюды (гидрослюды). Они часто входят в состав глинистых пород. Представляют собой гидроалюмосиликаты различных металлов (K, Na, Mg, Fe):
  

- биотит (тёмный) – калий-алюминий-магний-железосодержащая слюда. Весьма изменчивый химический состав. Многочисленны примеси;

- гидромусковит (светлый) – (К, H₂O) Al₂[Al, Si]4О₁₀·[OH]·nH₂O;

- глауконит – («зелёная земля») (К, H₂O) (Fe, Mg, Al)2[(Al, Si)·SiO₃O₁₀](OH)₂. Химический состав очень изменчивый.

Твёрдость слюд 2 – 3. Легко раскалываются по плоскостям спайности.

• 
  Железисто-магнезиальные минералы. В основном – силикаты магния и железа. Как правило имеют тёмную окраску. Тв. 5,5 – 7,5. Пироксены (авгит и др.), амфиболы (роговая обманка), оливин. При выветривании оливина образуется серпентин (одна из его разновидностей – хризотил-асбест – см. ниже).
  

2. 
   Минералы осадочных горных пород.
   

• 
  Кальцит – СаСО₃. "Известковый шпат". ρ = 2,70 г/см³. Тв. 3. Растворимость в воде 0,03 г/л. Бурно реагирует с кислотами. В воде, содержащей СО2, разрушается с образованием бикарбоната кальция, растворимость которого почти в 100 раз больше. Основной минерал горных пород известняка и мела.
  
• 
  Магнезит – МgCO₃. Тв. 3,5 – 4,5, реже до 7. Растворимость меньше, чем у кальцита.
  
• 
  Доломит – СаСО₃∙МgCO₃ или (Са, Мg) CO₃. По свойствам близок к магнезиту. Тв. 3,5 – 4,5.
  
• 
  Гипс – СаSO₄∙2H₂O. Может иметь пластинчатое, волокнистое или зернистое строение. Волокнистый называется селенитом, зернистый – алебастром. Тв. 1,5 – 2. Растворимость в воде (2,1 – 2,2) г/л.
  
• 
  Ангидрит – СаSO₄. Тв. 3 – 3,5. При длительном действии воды частично переходит в гипс.
  
• 
  Каолинит – Al₂O₃ · 2SiO₂ · 2H₂O. Глинистый минерал. Тв. 1 – 3.
  
• 
  Монтмориллонит (Al –монтмориллонит) – Al₂O₃ · 4SiO₂ · 3H₂O. Глинистый минерал.
  
• 
  Галлуазит – Al₂O₃ · 2SiO₂ · 4H₂O или Al₂[Si₂O₅] (OH)₄ · 2H₂O. Глинистый минерал.
  
• 
  Асбест. Два основных вида: хризотил-асбест ("белый асбест") и амфиболасбест (пять разновидностей).
  

Хризотил-асбест ("горный лён"): 3MgO·2SiO2·2H2O. Слои закручиваются в длинные трубочки с внешним диаметром около 200 Å (20 нм). Поэтому при механической обработке разделяется на волокна. Хризотил-асбест стоек к щелочным средам, разлагается в кислотах с образованием аморфного кремнезёма, что ограничивает возможности его применения.

• 
  Пирит – Fe2S. "Серный колчедан" – самый распространённый в земной коре сульфид. ρ = (4,9 – 5,2) г/см³. Тв. 6 – 6,5.
  
• 
  Боксит – Al₂O₃∙2H₂O.
  

У горных пород различают структуру и текстуру.

Структура — строение, обусловленное составом и условиями образования. Характеризуется степенью кристаллизации, формой и размером отдельных кристаллов/зерен минералов и распределением различных зерен минералов по объему.

Основные структуры:

1. Полнокристаллическая - крупные и хорошо различимые кристаллы

2. Скрытокристаллическая - наличие очень мелких кристаллов

3. Стекловатая - не сформировались (аморфны) или находятся в зачаточном состоянии

В зависимости от размеров зерен различают структуру крупнозерную и мелкозернистую, среднезернистую.

Текстура — особенность строения камня, обусловленная ориентировкой в пространстве отдельных частей горной породы. Характеризуется равномерностью расположения зерен, наличием пор и пустот (очень крупные поры).
Основные текстуры:

1. Массивные — плотное и равномерное расположение зерен

2. ТаксИтовая — плотное расположение зерен, но расположение неоднородное

3. Полосчатая — полосчато-чередование вытянутых участников различного строения или минерального состава

4. Шлаковая — большое количество пор и пустот

Горные породы можно классифицировать по разным признакам.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ДОЛГОВЕЧНОСТИ

1 группа. Весьма долговечные - свыше 400 — 600 лет (граниты мелкозернистые, кварциты и др.)

2 группа. Долговечные - 200 — 350 лет (крупнозернистые граниты, лабрадориты, габбро и др.)

3 группа. Относительно долговечные - 75 — 150 лет (белый мрамор, плотные известняки, доломиты и др.)

4 группа. Недолговечные – менее 75 лет (цветные мраморы, гипс, пористые известняки и др.)
Метаморфизм начинается от 200 °С до начала плавления. При метаморфизме химический состав не претерпевает существенных изменений, хотя может иметь место выделение легколетучих компонентов, например, воды.

Метасоматоз – замещение горной породы с изменением её химического состава, при котором растворение существующих минералов и образование новых происходит одновременно, благодаря чему порода сохраняет твёрдое состояние. Он ведёт к частичному или полному химическому, минеральному и структурно-текстурному преобразованию исходной породы, сохраняющего при этом твёрдое состояние. Регулирующими факторами метасоматоза являются: температура, флюидное давление (зависящее от температуры. Флюиды – жидкие и газообразные легкоподвижные компоненты магмы или циркулирующие в земных глубинах насыщенные газами растворы, например вода, углекислый газ, угарный газ, метан, водород, сероводород, оксид серы и др.), градиент химических потенциалов компонентов в системе порода – флюид, эволюция Eh (окислительно-восстановительного потенциала) и pH в потоке флюида.

В земной коре содержится горных пород: магматических, метаморфических и метасоматических ≈ 90 %; осадочных ≈ 10 %.