Реферат Строительные материалы. Строительные_материалы_Реферат_ЗавадскаяКВ_П91. Рефераты по практическому занятию Строительные материалы
 Скачать 1.46 Mb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Самарский государственный технический университет» (ФГБОУ ВО «СамГТУ») Академия строительства и архитектуры Рефераты по практическому занятию «Строительные материалы» Выполнили: Студенты 2 курса группы П-91 Факультета ФПГС Завадская К. Михайленко В. Самара 2020 2 Содержание 1. Внутреннее строение и микроструктура. Основные характеристики микроструктуры……………………………………………………………………3 2. Теплофизические свойства……….…………………………………………….9 3. Неорганические (минеральные) вяжущие вещества, их классификация по условиям твердения и эксплуатации, свойства. ………………………………21 4. Органические вяжущие и материалы на их основе. ……….……………...30 5. Современные материалы на основе пластмасс. ……………………………38 6. Заключение………………………………………………………………………46 3 Внутреннее строение и микроструктура. Основные характеристики микроструктуры. В зависимости от агрегатного состояния тел и его устойчивости твердые тела могут иметь строго упорядоченное строение, т.е. кристаллическую решетку или беспорядочное, хаотическое расположение молекул и атомов. Природа частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки, и преобладающие силы взаимодействия (химические связи) определяют тип или характер кристаллической решетки. Схемы основных типов структур кристаллической решетки а– атомный; б – молекулярный; в – ионный; г – металлический В узлах этих решеток соответственно находятся молекулы, которые связаны друг с другом межмолекулярными силами; атомы, связанные ковалентной связью; положительно или отрицательно заряженные ионы, связанные друг с другом силами электростатического притяжения; атомы металла, между которыми свободно движутся общие для этих атомов электроны. Как указывалось выше, молекулярные и атомные решетки присущи веществам с ковалентной связью, ионные - ионным соединениям, металлические - металлам и сплавам. Вещества с атомными решетками характеризуются высокой твердостью, они, как правило, тугоплавки, практически нерастворимы ни в каких растворителях. Таких веществ сравнительно мало (алмаз, кремний и др.), и их свойства обусловлены прочной ковалентной связью. 4 Веществ с молекулярной решеткой очень много. Это почти все неметаллы (кроме углерода и кремния), все органические соединения с не ионной связью и многие неорганические вещества. Такие соединения, как правило, имеют невысокую твердость, легкоплавки и летучи. К соединениям с ионной кристаллической решеткой относится большинство солей и некоторые оксиды. По прочности ионные решетки уступают атомным, но превышают молекулярные и имеют высокие температуры плавления. Решетки различных веществ различаются между собой не только природой образующих их частиц, но и расположением частиц в пространстве, что и формирует особую структуру. Эти частицы называются элементарными ячейками, которые и придают веществу только ему свойственные особенности. Упорядоченное расположение частиц в кристалле, отражаемое элементарной ячейкой, сохраняется на больших участках кристаллов, а в случае хорошо образованных кристаллов - во всем их объеме. Такая упорядоченность строения твердых тел носит название "дальний порядок". В телах с менее упорядоченным или хаотическим расположением частиц, что свойственно некристаллическим (аморфным) телам, имеет место лишь местная упорядоченность, т.е. на малых участках, и весьма приблизительного характера ("ближний порядок"). Это объясняет тот факт, что аморфные тела не имеют определенную точку плавления. Хаотическое (неупорядоченное) расположение частиц свидетельствует о неустойчивом агрегатном состоянии системы, способном изменять его под действием внешних факторов. Известно, что для каждого агрегатного состояния характерно свое соотношение между потенциальной и кинетической энергиями частиц вещества. У твердых тел средняя потенциальная энергия больше средней кинетической энергии. Поэтому в твердых телах частицы занимают вполне определенные положения друг относительно друга и лишь колеблются около этих положений. 5 Для газов соотношение между энергиями обратное, вследствие чего молекулы газов всегда находятся в состоянии хаотического движения, и силы сцепления между молекулами практически отсутствуют, в результате чего газ занимает весь предоставленный ему объем. Для жидкостей соотношение между энергиями стремиться к единице, т.е. частички связаны друг с другом, но не жестко. Поэтому жидкости обладают текучестью, но имеют при определенной температуре постоянный, объем. В результате исследования внутреннего строения жидкости методом структурного анализа установлено, что по своему строению жидкости подобны аморфным телам, т.е. в расположении частиц также наблюдается ближний порядок - число ближайших соседей у каждой молекулы и их взаимное расположение приблизительно одинаковы во всем объеме жидкости. Вследствие сходства во внутреннем строении жидкостей и аморфных тел (стекло, например), последние часто рассматриваются как жидкости с очень высокой вязкостью, хотя в отличие от обычных жидкостей в аморфных телах частицы имеют значительно меньшую подвижность - такую же как в кристаллах. Исходя из общих соображений, строение материалов принято характеризовать термином ”структура”. Однако, поскольку элементы структуры имеют различную величину, то и картина их сочетаний будет различной в зависимости от размеров и особенностей рассматриваемых элементов структуры. Поэтому в разных случаях используют соответствующие термины: “микроструктура” и “макроструктура”. В строительном материаловедении термин "микроструктура" понимают как строение вещества (материала), различаемое с помощью оптических приборов или, проще говоря, под микроскопом. Академик П.А. Ребиндер рассматривает микроструктуру на уровне взаимодействия мельчайших частиц вещества, т.е. межмолекулярного 6 взаимодействия или образования систем благодаря действию различного рода химических связей. По этим факторам он подразделяет микро-структуру на конденсационную, коагуляционную, кристаллизационную и смешанную. Профессор И.А. Рыбьев рассматривает микроструктуру на уровне контактных зон твердых частиц и на границе раздела фаз. Многие исследователи часто называют такой уровень изучения мезоструктурой, т.е. промежуточной между микро - и макроструктурой. Классический подход в классификации микроструктуры основан на подразделении ее на кристаллическую, аморфную и смешанную. Различные подходы отнюдь не противопоставляют различные понятия микроструктуры, а лишь дополняют друг друга. Рассмотрим классификацию П.А. Ребиндера, примечая в дальнейшем, что при перечислении разновидностей микроструктуры, составная часть термина "микро" опускается. Коагуляционная структура. Под этим понятием подразумевают структуру твердого тела или среды, в образовании которой участвуют силы межмолекулярного взаимодействия (Ван-дер-Ваальсовые), действующие через прослойку жидкости. Такие структуры могут уплотняться при сушке и набухать при увлажнении, т.е. представляют собой неустойчивые системы, способные под воздействием окружающей среды изменять своё состояние. В основном, такие структуры характеризуют глиняное, цементное, гипсовое тесто, а также различные пасты, мастики, смеси и т.д. Глиняное тесто, например, обладая пластичностью, при увеличении прослойки жидкости теряет связность и превращается в шликер, приобретая свойства жидкости. При обезвоживании глиняное тесто превращается в хрупкий каркас со свойствами твердого тела. 7 Примерно также ведут себя цементное и гипсовое тесто с той разницей, что при избыточной влажности они частично переходят в коллоидный раствор, а при обезвоживании - через золь и гель, кристаллизуется. Следовательно, коагуляционная структура характеризует временное промежуточное состояние тела, способного при соответствующих условиях либо диспергироваться, превращаясь в жидкость, либо конденсироваться, превращаясь в твердое тело; Конденсационная структура. Формируется в результате непосредственного химического взаимодействия частиц в зависимости от состава и типа образующихся химических связей. Вещества и материалы с конденсационной структурой характеризуются достаточно высокой жесткостью, хрупкостью и необратимо разрушаются под действием механических и термических напряжений. К ним можно отнести вещества со сложной химической связью, а также молекулярные кристаллы и материалы типа термореактивных полимеров. Кристаллизационная структура. Образуется в результате выделения твердой фазы из расплава или раствора в виде кристаллов и дальнейшей кристаллизации в монолит. К такому классу материалов можно отнести все плавленые и обжиговые материалы, такие как керамика, огнеупоры, природные каменные материалы, цемент, известь, гипс и др., т.е. материалы со сложной ионно-ковалентной связью. Смешанная структура. К этому классу структуры относятся, по всей видимости, системы, находящиеся в процессе формирования и не достигшие условного равновесия, т.е. находящиеся на определенной стадии коагуляции, конденсации или кристаллизации и имеющие признаки первого, второго или третьего вида. Анализируя представленную классификацию структуры, следует заметить, что в основу ее положен процесс формирования той или иной структуры (коагуляция, конденсация, кристаллизация), а не состояние самой системы. 8 Представляет интерес проследить, из какого состояния исходит, к примеру, процесс коагуляции и в результате каких факторов. Очевидно, из жидкого состояния, т.е. из диспергированного твердого тела. Следовательно, коагуляция - процесс самопроизвольный, и она неотвратимо должна закончиться конденсацией, т.е. затвердеванием, разновидностью которого и является кристаллизация. Процесс кристаллизации идет из расплава или раствора, а так как и то и другое – неустойчивые состояния, то кристаллизация - ничто иное, как продукт процесса конденсации. С учетом вышеизложенного наиболее стройной, на наш взгляд, является классическая или традиционная классификация, включающая кристаллическую, аморфную и аморфно-кристаллическую структуры веществ или материалов, так как эта классификация в большей степени связана не с процессом образования системы, а с ее состоянием. 9 Теплофизические свойства (теплоемкость, тепловое расширение, теплопроводность, температура плавления, температуропроводность). К тепловым процессам относят процессы, скорость которых определяется скоростью переноса энергии в форме теплоты – нагревание, охлаждение, конденсация и испарение. Тепловые процессы часто сопутствуют другим технологическим процессам: химическим превращениям, разделению гомогенных смесей, сушке и т.д., которые сопровождаются подводом или отводом тепла. Для тепловых процессов в химической промышленности характерны широкий диапазон изменения температуры (от нескольких тысяч градусов до близких к абсолютному нулю) и количеств передаваемой теплоты. Такой широкий диапазон требует применения различных способов передачи теплоты и материалов, которые наилучшим способом обеспечивают этот процесс. Производства химической технологии, требующие больших затрат тепловой энергии, обычно комплексно связаны с тепловыми энергетическими установками. Рациональное расходование теплоты – важный экономический показатель эффективности работы аппаратуры и организации технологического процесса. Перенос теплоты, происходящий между телами с различной температурой, носит название теплообмена. В соответствии со вторым законом термодинамики перенос тепла самопроизвольно происходит от тела с более высокой температурой к телу с меньшей температурой. Таким образом, причиной направленного теплопереноса является разность температур – температурный напор, который есть движущей силой переноса тепла. При выравнивании температур наступает равновесие. Температура t, как известно, являясь параметром состояния тела, характеризует степень его нагретости и выражается в градусах. Отсчет (как от нуля) температуры ведут либо от температуры таяния льда (градусы Цельсия, °С), либо 10 от абсолютного нуля (градусы Кельвина, К). Шкалы Цельсия и Кельвина лишь смещены одна относительно другой на 273,16 градуса, при этом цена деления, т.е. размер одного градуса, у них одинакова. Поэтому разности температур и численные значения величин, приходящихся на один градус, в этих шкалах совпадают. Физические, в том числе и теплофизические свойства тел, в той или иной степени зависят от температуры, которая на практике изменяется в широких пределах. Для упрощения инженерных расчетов вводится так называемая определяющая температура t опр , по которой находят все физические константы. Величина определяющей температуры не имеет универсального значения, а выбирается при построении расчетных зависимостей по-разному, исходя из лучшего их согласования с опытом. Чаще всего в качестве определяющей принимается либо среднеарифметическая температура потока жидкости или газа, либо средняя температура омываемой потоком поверхности стенки, либо среднеарифметическая температура из значений температуры жидкости или газа и стенки. Теплоемкость c – это количество теплоты, необходимое для нагревания вещества на один градус. Обычно оперируют удельной теплоемкостью, отнесенной к единице массы тела и измеряемой в Дж/(кг*К). Теплоемкость, соответствующая бесконечно малому повышению температуры, называют истинной c ист : Среднюю теплоемкость определяют при условии повышения температуры на конечную величину: 11 Если теплоемкость отнесена к одному молю вещества, то она носит название молярной и измеряется в Дж/моль*К. Различают теплоемкость при постоянном объеме и теплоемкость при постоянном давлении ; в первом случае в процессе нагревания вещества поддерживается постоянным объем, во втором случае – давление. Удельная теплоемкость при постоянном давлении всегда больше, чем удельная теплоемкость при постоянном объеме, т.е. , так как в случае нагревания при постоянном давлении часть теплоты идет на работу расширения вещества, а часть – на увеличение его внутренней энергии, в то время как в случае нагревания при постоянном объеме вся теплота расходуется только на увеличение внутренней энергии. Для твердых и жидких веществ разность между и мала. Для идеальных газов , где R – универсальная газовая постоянная. Теплопроводность характеризует способность тела проводить теплоту, зависит от природы вещества, являясь его индивидуальным свойством. Коэффициент теплопроводности l выражает количество тепла, передаваемое за 1 с через 1 м 2 поверхности при градиенте температуры 1 °С на 1 м длины нормали к изотермической поверхности. Численные значения коэффициентов теплопроводности определяются опытным путем и приводятся в справочной литературе. Измеряется коэффициент теплопроводности в Дж/м*К. Из сопоставления опытных данных следует, что значения коэффициента теплопроводности для разных веществ сильно разнится, а для одного и того же вещества зависит от температуры, плотности, структуры, влажности и других факторов. Наибольшая теплопроводность наблюдается у металлов, для которых значения l при 20 °С находятся в пределах 2,3–418 Вт/(м×К), причем наибольшее значение соответствует серебру. Высокий коэффициент теплопроводности имеют также 12 медь (l » 395), золото (l » 300), алюминий (l » 210), цинк (l » 113). На коэффициенты теплопроводности металлов оказывают большое влияние примеси и их концентрация, а также структурные изменения, вызванные термической обработкой, ковкой, вытяжкой и т.д. Коэффициенты теплопроводности неметаллических материалов лежат в пределах 0,02–3 Вт/(м×К) и зависят от природы этих материалов, их плотности, пористости, влажности, структурных особенностей. С повышением температуры значения l для неметаллических материалов, как правило, возрастают, а с увеличением пористости уменьшаются. Увлажнение пористых материалов вызывает рост значения коэффициента теплопроводности вследствие вытеснения воздуха водой, отличающейся более высокой теплопроводностью. При этом l влажного материалов часто превышает значения этого коэффициента для сухого материала и воды в отдельности. Коэффициенты теплопроводности жидкостей составляют 0,09–0,7 Вт/(м×К), причем в области низких давлений для всех жидкостей, кроме воды и глицерина, они снижаются с повышением температуры. В области же высоких давлений наблюдается рост l с увеличением как температуры, так и давления. Влияние давления на знаяения l оказывается большим для жидкостей с более высокой сжимаемостью и более низкой температурой кипения. Коэффициенты теплопроводности газов находятся в пределах 0,006–0,6 Вт/(м×К), они растут, как правило, с температурой, но не зависят от давления в средней его области. При высоких давлениях l увеличивается, а при давлениях ниже 0,13 Па уменьшается. С ростом молекулярной массы газа значения коэффициента теплопроводности, как правило, снижается. Коэффициенты теплопроводности газовых смесей, как и жидких, не подчиняются правилу аддитивности. Температуропроводность характеризует скорость изменения температуры вещества. Чем выше коэффициент температуропроводности тела а, тем больше в нем скорость распространения температуры. т.е. тем быстрее оно нагревается или 13 охлаждается при прочих равных условиях. В качестве коэффициента температуропроводности принят комплекс физических величин, в который входят коэффициент теплопроводности l, удельная теплоемкость с р и плотность ρ вещества, м 2 /с: Энтальпия , I – тепло, которое содержит в себе тело (теплосодержание), измеряется в Дж/кг. Энтальпию принято отсчитывать от некой температуры t°, при которой энтальпия принята равной нулю (i = 0). В качестве такой температуры чаще всего принимают 0 °С. При рабочей температуре, если отсутствует изменение агрегатного состояния вещества, энтальпию определяют интегралом Если изменением теплоемкости с изменением температуры можно пренебречь (с = const), то , а при В практических расчетах в подавляющем большинстве случаев оперируют разностями энтальпий, поэтому точка отсчета энтальпий и их абсолютные значения роли не играют. Если вещество при имеет иное агрегатное состояние по отношению к рабочей температуре , то энтальпия определяется с учетом теплоты фазовых превращений: 14 , где – удельная теплота фазового превращения (парообразования, конденсации, плавления и т.д.), Дж/кг. Удельной теплотой плавления (затвердевания) называют количество теплоты, необходимой для плавления (выделяющейся при затвердевании) 1 кг вещества. В большинстве случаев слабо зависит от температуры. Характер зависимости от давления в соответствие с правилом Ле-Шателье определяется соотношением плотностей вещества в жидком и твердом состоянии. Измеряется удельная теплота плавления также в Дж/кг. Аналогичным образом вводится понятие о теплоте сублимации (десублимации). Тепловое расширение – свойство материала расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении – характеризуется температурными коэффициентами объёмного и линейного расширения. Коэффициент линейного температурного расширения (КТЛР)характеризует удлинение материала при нагревании его на 1ºС. Коэффициенты линейного температурного расширения у разных материалов значительно отличаются (см. табл.) 15 |