Спа. Связь состава, структуры и свойств строительных материалов
 Скачать 1.24 Mb.
|
|
Тема: Связь состава, структуры и свойств строительных материалов. 1. История развития производства строительных материалов. Роль российских ученых в развитии науки о строительных материалах. Наука о материалах имеет глубочайшую историю развития. Истоком ее служат первые истинные познания материалов в древности. Условно можно выделить три основных по своей продолжительности не равных этапа в ее истории. Возникновение науки и каждый этап ее развития всегда были обусловлены производством, практикой. В свою очередь, развитие производства являлось следствием возрастающих потребностей в материалах у общества. Первый этап охватывает наиболее длительный период. При необходимости в нем можно выделить более дробные подпериоды, на пример древнейшие и древние времена, средние и поздние века. Имеется достаточно оснований утверждать, что исходным моментом для становления науки о материалах явилось получение керамики путем сознательного изменения структуры глины при ее нагревании и обжиге. Второй этап развития строительного материаловедения условно начался со второй половины 19 в. и закончился в первой половине 20 в. Важнейшим показателем этого этапа явилось массовое производство различных строительных материалов и изделий, непосредственно связанное с интенсификацией строительства промышленных и жилых зданий, общим прогрессом промышленных отраслей, электрификацией, введением новых гидротехнических сооружений и т.п. Характерным является также шщконкретное изучение составов и качества производимых материалов, изыскание наилучших видов сырья и технологических способов его переработки, методов оценки свойств строительных материалов со стандартизацией необходимых критериев совершенствования практики изготовления продукции на всех стадиях технологии. Третий этап охватывает период со второй половины ХХ в. до настоящего времени. Он характеризуется, во-первых, процессом дальнейшего расширения производства строительных материалов и углублением соответствующих им специализированных наук и, во-вторых, — интеграцией научных знаний о строительных материалах и изделиях в их сложной совокупности. Расширение производства материалов вызывалось по-прежнему необходимостью восстановления жилищного и промышленного фонда после второй мировой войны. Строительство было переведено на индустриальные способы, в частности, путем заводского изготовления изделий из железобетона, конвейеризации производства сборного бетона и железобетона. Большой вклад в развитие науки о материалах был внесен гениальными русскими учеными М.В. Ломоносовым и Д.И. Менделеевым. М.В. Ломоносов (1711—1765) заложил основы передовой русской философии и науки, особенно в области химии, физики, геологии. Он явился основоположником курса физической химии и химической атомистики, обосновывающей атомно- молекулярное строение вещества. В 1752 г. им было написано «Введение в истинную физическую химию». Касаясь распространенной в тот период корпускулярной теории, М.В. Ломоносов отмечал, что корпускулы — это мельчайшие частицы, ввел представление о молекулах и их отличии от атомов, а относительно еще более распространённого тогда учения о флогистоне, выделяющемся, якобы, при прокаливании метал лов и горении веществ, то он не только отверг такое учение о таинственном «веществе огня», но и дал научное объяснение химическим явлениям, протекающим при таких воздействиях огня. Кроме того, МВ. Ломоносов впервые написал книгу на русском языке по металлургии, разработал составы цветных стекол и способ изготовления мозаичных панно из них, высказал гипотезу о происхождении янтаря и др. Д.И. Менделеев (1834—1907) открыл важнейшую закономерность природы - периодический закон, в соответствии с которым свойства элементов находятся в периодической зависимости от величины их атомной массы. Он опубликовал книгу «Основы химии»; в ней описано, в частности, атомно-молекулярное строение вещества. Д.И. Менделееву принадлежит и публикация по основам стекольного производства. 2. Понятия о строительных материалах, изделиях и конструкциях с примерами. Классификация строительных материалов. Строительные материалы – это материалы, подвергшие обработке для изготовления строительных изделий, конструкций. Выполнение строительных работ при возведении реконструкции зданий или сооружений. (глина, песок, цемент, щебень, бетон, раствор) Строительные детали и изделия – это продукты предприятий строительной индустрии, имеющие определенную форму и размеры. (кирпич, рубероид, столярные изделия, трубы) Строительные конструкции – это более сложные строительные элементы, является продукцией предприятий строительной индустрии или изготавливаемые на строительной площадке и представляют собой часть здания ( фермы, плиты перекрытий, лестничные марши). Классификация. Основные группы строительных материалов по роду сырья. Природные: природный камень и лесные. Искусственные: неорганическое сырье на основе минерального сырья – обжиговые(керамические, стеклянные, металлические, минеральные вяжущие в-в) и без обжиговые(бетоны, строй. растворы, искусст. каменные материалы на основе минеральных вяжущих в-в); органическое сырье – битумные и дегтевые вяжущие в-ва, материалы и изделия на их основе, полимерные материалы. 3. Стандартизация в строительстве. ГОСТЫ – гос. общ. стандарты. ТУ – тех. условия. СниПы – строительные нормы и правила. ГОСТы и ТУ содержат опред. материалов. Классификация материалов по сортам и маркам важнейшие свойства и требований. Методы испытаний, правила приемки, правило транспорт. и хранения. В обозначение стандарта входит его номер и год принятия. Пример: гост 125-19 Вяжущие гипсовые тех. условия. 4. Макроструктура, микроструктура, внутреннее строение (субмикроструктура) строительных материалов. Макроструктура – строение материала, видимое невооруженным глазом. Существует следующие виды макроструктур: конгломератная(бетон), ячеистая(пено- газобетоны), мелкопористая(пористая керамика), волокнистая(древесина), слоистая(рулонные кровельные материалы), рыхлозернистая(заполнители для бетона). Микроструктура – строение видимое в оптический микроскоп. Может быть кристаллическое или аморфной. Наличие у вещества различных кристаллический форм, называется полиморфизмом. (кремнезем) Неодинаковость свойств монокристаллов в различных направлениях, называется анизотропия. Внутреннее строение или субмикроструктура. Изучается на молекулярно-ионном уровне спец. физико-химическими методами исследования. Примеры: эл.микроскопия, рентгено-графия, спектральный, дта. 5. Химический, минеральный, фазовый состав строительных материалов. Химический состав показывает какие химические вещества входят в состав материала. Например: у неорганических строительных материалов химический состав выражается содержанием оксидов. Минеральный состав показывает какие минералы и в каком количестве содержатся в материале. Фазовый состав строительных материалов в твердом агрегатном состоянии содержат твердое вещество создающий каркас матер. и поры заполненные воздухом или водой. Фазовый переход воды в порах оказывают существенное влияние на свойства строительных материалов. 6. Физико-химические методы оценки состава и структуры строительных материалов. Наиболее распространенными физико-химическими методами анализа для изучения структуры материалов являются: петрографический метод, электронная микроскопия, рентгенографический анализ, дифференциально-термический анализ и спектральный анализ. Петрографический метод используется для исследования различных материалов: минералов, цементного клинкера, цементного камня, бетонов, стекла, огнеупоров, шлаков, керамики и т. д. Метод световой микроскопии направлен на определение характерных для каждого материала оптических свойств, которые определяются его внутренним строением. Главные оптические свойства минералов — показатели светопреломления, сила двойного преломления, осность, оптический знак, цвет и др. Существует несколько модификаций данного метода: поляризационная микроскопия предназначена для изучения образцов в виде порошков в специальных иммерсионных аппаратах; микроскопия в проходящем свете — для изучения прозрачных шлифов. Для проведения этих исследований применяют поляризационные микроскопы. Электронная микроскопия применяется для исследования тонкокристаллической массы. Современные электронные микроскопы имеют полезное увеличение до 300 000 раз. С помощью электронного микроскопа можно изучить: форму и размеры отдельных субмикроскопических кристаллов; процессы роста и разрушения кристаллов; процессы диффузии; фазовые превращения при термической обработке и охлаждении; механизм деформации и разрушения. Рентгенографический анализ — это метод исследования строения и состава вещества путем экспериментального изучения дифракции рентгеновских лучей в этом веществе. Рентгеновские лучи представляют собой такие же поперечные электромагнитные колебания, как видимый свет, но с более короткими волнами. Применение рентгеновского излучения для исследования кристаллических веществ основано на том, что его длина волны сопоставима с межатомными расстояниями в кристаллической решетке вещества, которая является естественной дифракционной решеткой для рентгеновских лучей. Дифференциально-термический анализ (ДТА) используется для определения минерально-фазового состава строительных материалов. Основа метода такова, что о фазовых превращениях, происходящих в материале, можно судить по сопровождающим эти превращения тепловым эффектам. При физических и химических процессах превращения вещества энергия в виде теплоты может поглощаться или выделяться из него. Спектральный анализ — физический метод качественного и количественного анализа веществ, основанный на изучении их спектров. При изучении строительных материалов используется в основном инфракрасная (ИК) спектроскопия, которая основана на взаимодействии исследуемого вещества с электромагнитным излучением в инфракрасной области. ИК-спектры связаны с колебательной энергией атомов и энергией вращения молекул и являются характерными для определения групп и сочетаний атомов. Тема: Основные свойства строительных материалов. Классификация основных свойств строительных материалов. 1. Физические свойства. Параметры состояния: истинная, средняя и насыпная плотность. Истинная плотность – масса единицы V материала в абсолютно плотном состоянии, то есть без учета пор и пустот. P=m/V; V=Vо-Vпор. Средняя плотность – это масса единицы объема материала в естественном состоянии, то есть с учетом пор и пустот. Po=m/Vo Насыпная плотность – масса единицы Vсыпучих, зернистых или волокнистых материалов. Pн=(m1-m2)/V 2. Физические свойства. Структурные характеристики: пористость открытая, закрытая, общая. Пористость – степень заполнения V материала порами. П=(1-Kпп)*100=(1-V/Vo)*100 Открытые поры сообщаются с окружающей средой и способны заполнятся водой в естественных условиях. П=(m2-m1)/(V*Ph2o) * 100 Закрытая: Пз=П-По Строение пористого материала характеризуется распределением пор по размеру, средним радиусом пор. 3. Физические свойства. Гидрофизические свойства: гигроскопичность, капиллярное всасывание, водопоглощение, водопроницаемость, коэффициент размягчения, влажностные деформации, морозостойкость. Гигроскопичность – свойство материалов поглощать водяные поры из воздуха и удерживать их в следующие явления капиллярной конденсации. Капиллярное всасывание – происходит, когда часть конструкции находится в воде (грунтовые воды могут подниматься по капиллярам фундамента и увлажнять). Водопоглащение – способность материала впитывать влагу и удерживать её, оно бывает по массе и по объему. W=(m2-m1)/m1 * 100; W=(m2-m1)/V * 100. Водопроницаемость – способность материала пропускать воду под давлением. Кф=(Vв*а)/8(р1-р2)*t Коэффициент размягчения – это отношение предела прочности при сжатии материала в водонасыщенном состоянии, к приделу прочности при сжатии в сухом состоянии. Характеризует водостойкость материала. К≥0,8 водостойкий К<0,8 неводостойкий Пример: вод – бетон на основе портландцемента; невод – гипс. Влажностные деформации – свойство пористых материалов изменять размеры (объем) при изменении еговлажности. Принасыщении материала водой происходит его набух ание, а при сушке – усадка. Морозостойкость – это способность насыщенного водой материала выдержать многократное, попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и незначительное снижение стойкости. Морозостойкость измеряется в циклах. 1 цикл – 4 часа замораживания образ с водой при -18 2 цикл – 4 часа оттаивания в воде +20 F(цифра). 4. Физические свойства. Теплофизические свойства: теплопроводность, теплоемкость, огнестойкость, огнеупорность, коэффициент местного температурного расширения. Теплопроводность – свойство материала передавать тепло через свою толщу от одной поверхности к другой. Оценивается количеством тепла проходящем через образец материала толщиной 1 метр, площадь 1м^2 за 1 час при разности t на противоположной поверхности образца в 1 градус. Теплоемкость – определяется количеством тепла, которое нужно сообщить 1 кг матер., чтобы повысить t на 1 градус. Огнеупорность – свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой t не размягчаясь и не деформируясь: 1. Огнеупорные выше 1580 С (шамот) 2. Тугоплавкие от 1350-1580 С (огнеупор. кирпич, фарфор) 3. Легкоплавкие менее 1350 С (обычный кирпич) 4. Огнестойкость – свойство материала выдерживать действие огня в пределах определенного времени: - несгораемые (под действием огня не горят и не тлеют (бетон)) - трудносгараемые (воспламеняются или тлеют, после устранения огня само затухают) - сгораемые (горят и тлеют, и продолжают гореть после устранения источника огня) Коэффицие́нт теплово́го расшире́ния — физическая величина, характеризующая относительное изменение объёма или линейных размеров тела с увеличением температуры на 1 К при постоянном давлении. Имеет размерность обратной температуры. Различают коэффициенты объёмного и линейного расширения. 5. Механические свойства: нагрузки, напряжение, прочность, определение прочности при сжатии, изгибе и растяжении, коэффициент конструктивного качества, ударная вязкость, твердость, истираемость, износ. Нагрузка – силовые воздействия, вызывающие изменения напряжённо- деформиров. состояния конструкций зданий и сооружений. По характеру изменений в о времени различают статические нагрузки и динамические нагрузки. Напряжение – это мера внутренних сил, возникающих в деформируемом теле под влиянием различных факторов. Механическое напряжение в точке тела определяется как отношение внутренней силы к единице площади в данной точке рассматриваемого сечения. Прочность – это способность материала сопротивляться разрушению под действием внешних напряжений, вызванных внешними нагрузками или другими факторами. Прочность строительных материалов характеризуется пределом прочности равном напряжению возникающее в материале при действии нагрузок вызывающее разрушение материала. Прочность зависит от пористости, от влажности, от направления приложения нагрузки. В зависимости от соотношения предела прочности при растяжении и сжатии различают: Rр>Rсж (древесина) Rсж ≈Rр (сталь) Rр Предел прочности при сжатии определяют по формуле: Rсж= Pсж/F, [МПа (кгс/см2 )], Рсж - разрушающая нагрузка, Н (кгс); F - площадь поперечного сечения образца, м2 (см2 ). Для определения предела прочности при сжатии образцы материала подвергают действию сжимающих внешних сил и доводят до разрушения. Предел прочности при изгибе определяют на гидравлических прессах, или на специальных испытательных изгибающих машинах, например, МИИ - 100. Rизг= 3Pизг l/ 2bh^2 , [МПа (кгс/см2 )], где: Ризг - разрушающая нагрузка, Н (кгс); l - пролет между опорами, м (см); а- расстояние между грузами, м (см); b - ширина поперечного сечения балочки, м (см) ; h - высота поперечного сечения балочки, м (см). Прочность при растяжении иначе предел прочности — наибольшее напряжение, которое регистрируется при растяжении образца до его разрушения. Описание Прочность при растяжении – частный случай разрушения твердого тела, т.е. разрушения его на части. В отсутствие дефектов типа дислокаций и трещин предельное напряжение растягиваемого стержня дается величиной так называемой теоретической (или точнее — идеальной) прочности, равной по порядку величины 1/10 модуля Юнга. Однако реальные материалы разрушаются в этих условиях либо в результате роста трещины (хрупкое разрушение), либо как следствие потери устойчивости пластической деформации (образование шейки). В любом случае, прочность имеет размерность напряжения (МПа, кгс/мм 2 ), которое определяется отношением силы к площади поперечного сечения стержня. Коэффициент конструктивного качества – условный коэффициент эффективности материла, равный отношению показателей прочности R сж (Мпа) к относительной плотности материала (безразмерная величина) К.К.К. = R/d Где d – относительная плотность равная ρ о (кг/м 3 ) Чем выше К.К.К. материала, тем эффективнее материал, так имеет высокую прочность при малой средней плотности. Повышения К.К.К. можно добиться снижением плотности материала и увеличением его прочности. Ударная вязкость – способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки. Основным отличием ударных нагрузок от испытаний на растяжение-сжатие или изгиб является гораздо более высокая скорость выделения энергии. ТВЕРДОСТЬ – Способность материала сопротивляться проникновению в него более твердого тела; ее определяют различными методами. При определении твердости по методу Бринелля в поверхность испытуемого образца вдавливают при заданной нагрузке шарик определенного диаметра из закаленной хромистой стали. По диаметру отпечатка вычисляют число твердости НВ НВ=Р/F= Где Р – нагрузка на шарик, кгс, Н; F – площадь поверхности отпечатка, мм 2 ; D – диаметр шарика, мм; d – диаметр отпечатка, мм. Истираемость характеризует способность материала изменяться по массе под действием истирающих усилий. На истираемость испытывают материала, которые применяют для устройства тротуарных плит, лестничных ступеней, полов и др. Истираемость материала характеризуется потерей массы образца, отнесенной к единице площади его истирания и определяется по формуле: И=m1-m2/F , [г/см2 ], где m1 - масса образца в сухом состоянии, кг; m2 - масса образца в насыщенном водой состоянии, кг; F – площадь истирания, см2. Износ строительных материалов -свойство материала сопротивляться одновременно воздействию истирающих и ударных нагрузок. Износ определяют лабораторным путем в барабане со стальными шарами или без них. 6.Механические деформативные свойства: упругость, пластичность, хрупкость, относительная деформация, модуль упругости, коэффициент Пуассона, ползучесть, диаграммы деформаций. Упругость — это способность материала изменять под действием нагрузки свою форму без признаков разрушения и восянавливать ее в большей или меньшей степени после удаления нагрузки. Восстановление формы, в зависимости от величины действующей силы, может быть полным или неполным. Пример очень упругого материала — резина. Упругими являются и такие материалы, как сталь, дерево. Пластичность — это способность материала под действием нагрузки изменять без признаков разрушения свою форму и полностью сохранять эту измененную форму после снятия нагрузки. Большинство строительных растворов отличается высокой пластичностью. Противоположностью пластичных материалов являются материалы хрупкие. Эти материалы под действием прилагаемых к ним усилий разрушаются сразу, не обнаруживая сколько-нибудь значительных деформаций. Хрупкие материалы плохо сопротивляются удару. Поэтому их нельзя использовать там, где могут быть ударные нагрузки. Примером хрупкого материала может служить стекло. Абсолютная деформация выражает абсолютное изменение какого-либо линейного или углового размера, площади сечения или участка граничной поверхности элемента, выделенного в деформируемом теле, или всего тела. Относительная деформация характеризует относительное изменение тех же величин. Модуль упругости иначе модуль Юнга — коэффициент пропорциональности, связывающий напряжения и деформации в теле. Описание Тело, находящееся в состоянии упругого сжатия, растяжения или сдвига, характеризуется тем, что величина его деформации зависит только от величины приложенных к нему напряжений и не зависит от последовательности их приложения. Упругие деформации тела являются обратимыми: при снятии приложенных к нему нагрузок оно возвращается в начальное состояние. В области малых деформаций зависимость величины деформации от нагрузки является линейной функцией (состояние линейной упругости). Коэффициент Пуассона — величина отношения относительного поперечного сжатия к относительному продольному растяжению. Этот коэффициент зависит не от размеров тела, а от природы материала, из которого изготовлен образец. Коэффициент Пуассона и модуль Юнга полностью характеризуют упругие свойства изотропного материала. Ползучесть материалов (последействие) — медленная, происходящая с течением времени, деформация твёрдого тела под воздействием постоянной нагрузки или механического напряжения. Ползучести в той или иной мере подвержены все твёрдые тела — как кристаллические, так и аморфные. Диаграмма деформирования — графическое изображение зависимости между напряжениями (или нагрузками) и деформациями материала. 7. Понятия долговечности и надежности строительных материалов. Долговечность– свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами на ремонт. Предельное состояние определяется разрушением изделия, требованиями безопасности или экономическими соображениями. Долговечность строительных изделий измеряют обычно сроком службы без потери эксплуатационных качеств в конкретных климатических условиях и режиме эксплуатации. Надежность — представляет собой общие свойства, характеризующие проявление всех остальных свойств изделия в процессе эксплуатации. Надежность складывается из долговечности, безотказности, ремонтопригодности и сохраняемости. Эти свойства связаны между собой. 8. Понятие о композиционных материалах. Определение композиционных материалов. Состав и строение композита. Оценка матрицы и упрочнителя в формировании свойств композита. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ (композиты) – многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик. Композиты - многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической., углеродной, керамической или др. основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодиспeрсных частиц и др. Оценка матрицы и упрочнителя в формировании свойств композита Композиционные материалы с металлической матрицей Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные материалы. Композиционные материалы с неметаллической матрицей Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная. Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и других), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью. Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей. Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60-80 об.%, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) 20-30 об.%. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиги и сжатии и сопротивление усталостному разрушению. По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты. В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала. Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей. Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях. Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем разложения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трехнаправленных. |