Архит._материал._-_Шеина_Ч1. Т. В. Шеина архитектурное материаловедение
 Скачать 23.57 Mb.
|
|
ккал/г . Формула позволяет определить энергию диспергирования на ионы не только кристаллических, но и аморфных веществ. В действительности, в обычных условиях воздействия, ни один из видов разрушения структуры ве- щества не сопровождается его полной деструкцией. При этом разрываются наиболее слабые связи модифицирующих катионов с кислородом с распадени- ем на отдельные фрагменты. Так, при растворении СаSО 4 образуется катион Са 2+ и комплексный анион SО 4 2- , а при плавлении стекла – катионы Nа + и Са 2+ и анионы Si n O m . Поэтому для разрушения веществ требуется энергия значи- тельно меньше, чем это дает расчет по формуле. Любой вид разрушения вещества: растворение, диссоциация, плавление или химическое взаимодействие с окружающей средой, представляет собой разрыв электростатических связей между ионами, составляющими вещество. Количество энергии, которое необходимо затратить на разрыв всех связей в кристалле, называется энергией кристаллической решетки. Теоретическая прочность веществ напрямую взаимосвязана не только с энергией связи кристаллической решетки, но и с избыточной энергией, кото- рой обладают структурные элементы, находящиеся на поверхности и взаимо- действующие только с некоторой частью соседних элементов, а другая их часть остается не скомпенсированной. Избыточную (свободную) энергию, отнесенную к единице поверхности, называют удельной поверхностной энергией. Ее измеряют работой, необходи- мой для образования поверхностного слоя в изотермических условиях, отне- сенной к единице образованной площади. Для жидкостей как в энергетиче- ском, так и в силовом определении она имеет одинаковую размерность (Дж/м 2 = Н/м). Числовые значения поверхностного натяжения и поверхностной энер- гии в этом случае совпадают. Первую попытку связать механические свойства веществ с их кристал- лическим строением сделал Гриффитс. Допуская, что при достижении разру- шения вся энергия деформации переходит в поверхностную энергию двух вновь образовавшихся при разрушении поверхностей, он показал, что ориен- тировочно теоретическая прочность равна: σ теор. = √UE/e , где Е – модуль упругости; U – поверхностная энергия твердого тела; е – межатомное расстояние 22 Между теоретической (расчетной) и реальной прочностями наблюда- ется несоответствие. Это объясняется наличием дефектов в структуре вещества (таблица 2). Таблица 2 – Теоретическая прочность различных веществ Вещество Вид связи Свободная по- верхностная E, (Дж/см 2 )·10 -3 Мо- дуль Юнга, МПа Теоре- тическая проч- ность Железо Медь Алмаз Кремний Графит Металлическая Металлическая Ковалентная Ионная Молекулярная (ван- дер-вальсовская) 2,00 1,65 5,40 1,20 0,07 265000 196000 1230000 192000 10200 77500 40000 209000 32600 1430 В настоящее время установлено, что в природе практически не существует веществ с идеальным кристаллическим строением. 2.4 Дефекты строения в кристаллах Реальные кристаллические вещества имеют большее или меньшее ко- личество дефектов. Дефекты в кристаллах (от лат. defectus – недостаток, изъ- ян), нарушения полностью упорядоченного расположения частиц (атомов, ионов, молекул), характерного для идеального кристалла. Они образуются в процессе роста кристалла из расплава или раствора, а также под влиянием внешних воздействий (тепловых, электрических, механических, при различных видах облучения), при введении примесей. Различают точечные (нульмерные, размеры в которых в трех направле- ниях не превышают одного или нескольких межатомных расстояний), линей- ные (одномерные), поверхностные (двухмерные) и объемные (трехмерные) де- фекты (рисунок 24). Точечные дефекты: вакансии (дефекты Шоттки) – не занятые частицами узлы кристаллической решетки; междоузлия (дефекты Френкеля) – примесные атомы в узлах решетки или между узлами, а также собственные атомы или ио- ны кристалла, сместившиеся из своих нормальных положений в узлах решет- ки; чужеродные атомы внедрения – возникают в процессе кристаллизации или диффузии примеси с поверхности; чужеродные атомы замещения – представ- ляют собой сумму двух дефектов: вакансии и атома примеси, образуются при захвате примеси в процессе кристаллизации или при совместной диффузии ва- кансии и атома примеси. Вакансии и междоузельные атомы появляются в кристалле при любой температуре выше абсолютного нуля из-за тепловых колебаний атомов (тепло- вые или равновесные дефекты) в результате облучения или других вешних воздействий (неравновесные точечные дефекты). Вакансии образуются за счет диффузии атомов (эстафетой по узлам) из объема на поверхность кристалла. Они могут быть двойными, тройными и образовывать группы. 23 Рисунок 24 – Основ- ные виды дефектов в кри- сталлах: 1 и 2 – дефекты поверхно- сти кристалла: изменение габитуса (1), вицинали и макротрещины (2); 3 – дислокации и малоугловые межблочные границы; 4а – гетерофазные включения и границы бло- ков, 4б – примесный атом в узле решетки; 5 – дефекты Шоттки (пара вакансий, па- ра ионов на поверхности) и Френкеля (пара: вакансия плюс ион в междоузлии) Образование междоузельного атома в плотноупакованных структурах требует значительно больше энергии, чем образование вакансии, поэтому в металлах основными точечными дефектами являются вакансии. Точечные дефекты изменяют скорость полиморфных превращений, кор- розию металлов и сплавов, процессы спекания и рекристаллизации керамиче- ских материалов. Изменение концентрации точечных дефектов используется для управле- ния физико-химическими свойствами твердых веществ и химическими про- цессами с их участием. Концентрацию точечных дефектов в ионных кристал- лах можно изменять, например, допированием, т.е. введением в решетку иона, заряд которого отличается от заряда замещаемого иона в решетке. Допируя TiO 2 ионами тантала, можно существенно изменять скорость заполнения меж- гранулярного пространства при спекании методом горячего прессования. Линейные (одномерные) дефекты, нарушающие периодичность решетки в одном направлении намного дальше, чем в других, в которых нарушения не превышают нескольких параметров решетки. К линейным дефектам относят краевые, винтовые и смешанные – криволинейные дислокации, микротрещины и ряды вакансий и междоузельных атомов (рисунок 25). Дислокация возникает или в процессе образования кристалла, или в ре- зультате последующих механических, тепловых и других воздействий. Меха- нохимическое активирование твердых тел их измельчением связано в первую очередь с обра- зованием дислокаций, концентрация которых возрастает до 10 12 см -2 Краевые дислокации представляют со- бой локализованное искажение кристалличе- ской решетки, вызванное наличием в ней лиш- ней атомной полуплоскости (экстраплоскости). Если экстраплоскость находится в верхней ча- сти кристалла, то дислокацию называют поло- 24 жительной и обозначают ┴, и ┬ (отрицательной) – если в нижней. Это отличие важно при взаимодействии дислокаций.Вакансии в кристаллических решёт- ках, межузловые (внедренные) атомы и дислокации играют важную роль в процессах диффузии, повышают химическую активность, что используется, в частности, в технологии быстродействующих цементов. Однако они снижают его стойкость, так как деформированные межатомные связи (как и места кон- центраций напряжений) более уязвимы для химических и физических воздей- ствий среды. Следовательно, дислокации следует рассматривать как структур- ный фактор, регулирующий комплекс наиболее важных свойств кристалличе- ских веществ. Рисунок 25 – Краевая дислокация в кристалле с простой кубической решеткой. ABCD – плоскость сдвига; АВ – граница зоны сдвига (краевая дислокация); b – вектор Бюргерса Двухмерные дефекты, как и дислокации, повышают каталитическую ак- тивность твердых тел, диффузионную подвижность вещества при спекании и рекристаллизации, ионный транспорт в дисперсных твердых электролитах и материалах с электронно-ионной проводимостью. Поверхностные дефекты ин- тенсифицируют гетерогенные реакции, начинающиеся на поверхности твердых тел, в том числе хемосорбцию флотореагента при обогащении руд, выщелачи- вание минерального сырья. Объемные дефекты – поры, объемные включения примесных твердых фаз. Образуются в кристаллах, полученных в неравновесных условиях, в ре- зультате, например, ассоциации вакансий или примесных атомов. Наличие трехмерных дефектов, как правило, нежелательное явление, резко ухудшаю- щее свойства кристаллов. Однако в ряде случаев такие дефекты специально со- здают в поликристаллических материалах для предотвращения их рекристал- лизации (например, введение дисперсного W в порошкообразные прессовки). Можно устранить образование нежелательных дефектов, намеренно со- здавая в кристалле безвредные с точки зрения технических свойств дефекты. Например, прозрачную керамику на основе ZrO 2 удалось получить, легируя его V 2 O 3 и создавая тем самым структуру с высокой концентрацией дефектов, яв- ляющуюся энергетически более выгодной, чем структура с внутренними пора- ми, межкристаллитными границами и дислокациями. 25 3 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 3.1 Прочность и её разновидности Механические свойства материалов имеют решающее значение для строительных конструкций, работающих под действием нагрузок. Внешние нагрузки вызывают либо разрушение, либо деформацию материалов. Сопротивление материалов изменять под нагрузкой форму и размеры характеризуется такими деформативными свойствами, как упругость, пластич- ность, хрупкость, модуль упругости, ползучесть. Сопротивление материалов механическому разрушению характеризуется их прочностными свойствами: прочностью, твердостью, истираемостью, сопротивлением удару, износом. Прочность – свойство материала сопротивляться внутренним напряже- ниям, возникающим в результате действия внешних нагрузок. Мерой прочно- сти материалов является предел прочности – наибольшее напряжение, соответ- ствующее нарастающей нагрузке, при которой образец материала разрушается. Прочность образцов материала зависит от его строения, скорости прило- жения нагрузки и её характера (длительная, кратковременная, ударная), темпе- ратуры и влажности среды, формы и размера образца, состояния опорных по- верхностей и вида напряжённого состояния (сжатия, изгиба, сдвига и т. д.). Однородные материалы состоят из крупных, способных смещаться отно- сительно друг друга молекул (органические вещества) или кристаллов, с легко деформируемой кристаллической решеткой (металлы) и под нагрузкой могут изменять свою форму без образования трещин и разрывов (нарушения сплош- ности). Величины пределов прочности у таких материалов практически не от- личаются друг от друга. Неоднородные материалы состоят из различных мине- ральных зерен или из зерен, соединенных друг с другом посредством какого- нибудь цементирующего вещества и разрушаются по контакту между зернами или по дефектам их структуры. В этом случае на величину пределов прочности решающее влияние оказывают особенности свойств минеральных зерен, ха- рактер между зернами и особенности цементирующего вещества. Прочность зависит также от структуры материала и его средней плотно- сти – чем больше пористость, тем меньше прочность. Большинство материалов при понижении температуры становятся хрупкими, так как у них происходит переход от пластического к хрупкому разрушению. Так ведут себя материалы на основе битумов и полимеров, металлы. Прочность материала снижается при воздействии полярных жидкостей (воды) – эффект П.А. Ребиндера. Он основан на способности молекул жидко- сти, защемленных в микротрещинах поверхности материала, оказывать рас- клинивающее действие. Если нагрузка при испытании материала возрастает быстрее, чем установлено стандартом, то результат испытания получается за- вышенным, так как не успевают развиваться пластические деформации. У кубиков малых размеров прочность на сжатие оказывается выше, чем у кубиков больших размеров из одного и того же материала. Призмы показыва- ют меньшее сопротивление сжатию, чем кубы одинакового поперечного сече- ния. Это объясняется тем, что при сжатии образца возникает его поперечное расширение. Силы трения, возникающие между опорными гранями образца и 26 плитами пресса, удерживают частицы образца, прилегающие к плитам, от по- перечного расширения и, следовательно, от разрушения. Средние же части об- разца, испытывая поперечное расширение, расширяются в первую очередь. Поэтому при испытании кубов из хрупких материалов (бетона, раствора, кам- ня) получается форма разрушения в виде двух усеченных пирамидок, сложен- ных вершинами вверх, а у глинистого образца-сырца середина будет деформи- роваться. Чем меньше параметры образца, тем упрочняющая сила трения при его сжатии будет больше сказываться на величине предела прочности (рисунок 26). < > > R 1 R 2 R куб R 1 R приз R 2 Рисунок 26 – Взаимосвязь размера и формы образца с прочностью Нагрузки вызывают в материале напряжения сжатия, растяжения и изги- ба. Предел прочности при сжатии или растяжении равен отношению разруша- ющей силы (Н) к площади поперечного сечения (м 2 ) об- разца, подвергающегося испытанию. Предел прочности вычисляют по формуле R сж (раст) = F/S, где F – разрушающая нагрузка, Н; S – площадь поперечно- го сечения образца, м 2 В первом случае для этого применяют кубики (цилиндры), во втором – восьмерки. Предел прочности при изгибе балки прямоуголь- ного сечения и одной сосредоточенной нагрузке в его середине вычисляют по формуле R изг = 3Pl/(2bh 2 ), где P – разрушающая нагрузка, Н; l – расстояние между опорами балки, м; b и h – ширина и высота поперечного сечения образца, м. Различные материалы обладают неодинаковым пределом прочности при сжатии: от 0,5 (торфяные плиты) до 1000 МПа и более (высокопрочная сталь). Часто одни и те же материалы имеют неодинаковый предел прочности, и в за- висимости от этого их делят на марки или сорта. Так, марки строительного раствора соответствуют пределу прочности (кгс/см 2 ) от 4 до 300, обычного бе- тона – от 100 до 600, известняка – от 100 до 1500, керамического кирпича – от 75 до 300. При определении предела прочности при сжатии испытывают стандарт- ные образцы на гидравлическом прессе до их разрушения (рисунок 27, таблица 3). Образцами служат кубы (растворные – 7,07х7,07х7,07 см, бетонные – 27 15х15х15 см и других размеров), цилиндры, призмы. Призменная прочность необходима для испытания свай и колонн. При испытании материалов на рас- тяжение до разрушения на разрывных машинах используют образцы в виде восьмерки, призмы, стержня. Предел прочности при изгибе определяют путем испытания образца материала в виде балочки (призмы), кирпича (в натуре) на двух опорах. Их испытывают на прессе до разрушения (излома), нагружая од- ной или двумя сосредоточенными силами. Рисунок 27 – Гидравлический пресс для испытания материалов на сжатие: 1 – цилиндр; 2 – поршень; 3, 5 – нижняя и верхняя опорные плиты; 4 – испытуемый образец; 6 – колона; 7 – траверса; 8 – установочный винт; 9 – манометр для определения давления жидкости в цилиндре или силоизмеритель; 10 – насос; 11 – бачок для масла Многие материалы (природные камни, кирпич, бетон, раствор), имею- щие высокий предел прочности при сжатии, не способны выдерживать значи- тельные растягивающие и изгибающие напряжения. Поэтому в конструкциях приходится сочетать различные материалы с учетом их свойств (например, в железобетоне сталь воспринимает растягивающие усилия, а бетон – сжимаю- щие). Сталь и пластмасса хорошо сопротивляются не только сжатию, но и рас- тяжению и изгибу. Древесина хорошо сопротивляется сжатию (как бетон), примерно в два раза лучше – изгибу и в четыре раза – растяжению. В зависимости от соотношения R раст /R сж, материалы можно условно разделить на 3 группы: R раст больше R сж (волокнистые – древесина); R раст примерно R сж (сталь); R раст меньше R сж (хрупкие – бетон, природные камни, кирпич). Таблица 3 – Стандартные размеры образцов и расчётные формулы Образец Эс- киз Расчёт- ная форму- ла Материал Размер стан- дартного образца, см Куб R=P/a 2 Бетон Раствор 10х10х10 ; 15х15х15 ; 20х20х20 ; 0,07х0,07 х0,07 Природный камень 5х5х5 и др. Цилиндр R=4P/π d 2 Бетон d = 15; h = 30 Природный d = h = 5, 28 камень 7, 10, 15 Призма R пр = P/a 2 Бетон a = 10, 15, 20; h = 40, 60, 80 Древесина a = 2; h = 3 Составной образец R=P/S Кирпич a = 12; b = 12,3; h = 14 Половина образца призмы, изготовленной из цементно- песчаного раствора R=P/S Цемент a = 4; S = 25см 2 Проба щебня (гра- вия) в цилиндре D p = [(m1- m2)/m1]x100 Крупный заполнитель для бетона d = 15; h = 15 Прочность материала на растяжение максимально приближается к теоре- тической прочности, когда испытывают не массивные образцы, а тончайшие нити и волокна, имеющие ориентировочную молекулярную структуру в виде «цепочек», вытянутых по длине нити. Так, техническая прочность на разрыв стекла – 60…80 МПа, а стеклянных волокон, применяемых для армирования стеклопластиков, – около 200 МПа, т.е. такая же, как у высокопрочных сталей, а теоретическая – в 1000 раз выше (около 80000 МПа). Для рулонных материалов (отделочных и гидроизоляционных пленок, обоев) важной характеристикой является разрывная прочность (при надрезе), прочность при расколе и продавливании Наряду с определением прочности материалов разрушением контроль- ных образцов применяют неразрушающие методы, которые позволяют опреде- лять прочность не только образцов, но и отдельных изделий и материалов в конструкциях, устанавливая при этом степень их однородности. Одним из не- разрушающих физических методов испытания является импульсный ультра- звуковой, при котором оценка прочности производится по замеренной скоро- сти прохождения ультразвуковых волн с использованием корреляционной свя- зи между скоростью распространения волн в материале и его механическими свойствами. В связи с тем, что строительные материалы неоднородные по своей структуре, а их прочностные характеристики могут измеряться во время экс- плуатации здания под действием переменной нагрузки, атмосферных факторов и агрессивной среды, при расчете строительных конструкций учитывают ко- эффициент запаса прочности , величина которого устанавливается нормами про- ектирования. Часто для оценки эффективности конструктивных строительных мате- риалов используют показатель удельной прочности, численно определяемый в 29 условных единицах отношением предела прочности при сжатии (или растяже- нии) к средней плотности материала: ККК = (R сж./раст )/ρ о , МПа/ г/см 3 Этот показатель называют также коэффициентом конструктивного каче- ства . Коэффициент конструктивного качества у строительных материалов ко- леблется в достаточно широких пределах: бетон – до 0,1; древесина – до 0,7; сталь – до 1,2; легкие сплавы – 1…1,5; пластмассы – 0,5…2,5; сваи – 4,5; кир- пичная кладка – 0,05…0,1. |