Архит._материал._-_Шеина_Ч1. Т. В. Шеина архитектурное материаловедение
 Скачать 23.57 Mb.
|
|
2 ,2 1 0 ,8 0 ,7 0 ,2 5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 П ар о пр о ницаемо ст ь Легкий бетон Кирпич трепельный Кирпич керамический Известняк Бетон на гравии 4 ,2 1 ,2 1 0 ,9 0 ,1 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 Га з о пр о ницае мо сть Кирпич трепельный Известняк Кирпич керамический Легкий бетон Бетон на гравии 46 Причиной снижения прочности материала является расклинивающее действие воды в местах сцепления (срастания) зерен, а также процесс набуха- ния, сопровождающийся увеличением объема и разрывом связей между зерна- ми. Мерой водостойкости конструкционных строительных материалов явля- ется коэффициент размягчения, который определяется как соотношение преде- ла прочности при сжатии насыщенного водой материала к пределу прочности сухого материала: К разм = R вл / Rcух ≥ 0,75…0,8. Он изменяется от 0 (для глины) до 1 (стекло, металлы). Материалы, у которых коэффициент размягчения больше 0,75, называют водостойкими. Водостойкость строительных материалов связана с их плотностью и структурой пор, а также природой веществ, входящих в состав материала. Например, у гипсовых материалов, саманного кирпича водостойкость резко падает при насыщении их водой. Материалы на основе гидравлических вяжу- щих незначительно теряют свою прочность, а в случае недостаточной гидрата- ции цемента в бетоне или растворе, при насыщении их водой даже происходит нарастание прочности в результате продолжающейся гидратации. Морозостойкость – способность материала в насыщенном водой состо- янии и при многократном действии знакопеременных температур сохранять основные физико-механические свойства в заданных границах. Морозостойкость зависит от состава и структуры материала, его водо- стойкости и пористости. При смене времени года некоторые материалы, подвергаясь периодиче- скому замораживанию и оттаиванию в обычных атмосферных условиях, раз- рушаются. Это объясняется тем, что вода, находящаяся в порах материала, при замерзании увеличивается в объеме примерно на 9...10 %, а стенки пор испы- тывают значительное гидростатическое давление, которое может достигать до 200 МПа. Наибольшее расширение воды при переходе в лед наблюдается при температуре минус 4 о С. И хотя дальнейшее понижение температуры не вызы- вает увеличение объема образовавшегося льда, испытание материалов на мо- розостойкость проводят при значительно более низких температурах (минус 15 о С и ниже). Это связано с тем, что в микропорах вода замерзает обычно при температуре ниже минус 10 о С, в капиллярах при диаметре 0,06 мм и в пленках толщиной 1,4 мкм температура замерзания понижается до минус 18,5 о С. Высокой морозостойкостью обладают плотные материалы, которые имеют малую пористость и закрытые поры. Материалы пористые с открытыми порами и соответственно с большим водопоглощением часто оказываются не морозостойкими. Существуют следующие способы оценки морозостойкости: приближенный – по величине структурного коэффициента , который числен- но показывает степень заполнения материала водой К мрз = В о / В нaс ≤ 0,85; метод непосредственного замораживания (при температуре не выше минус 17 о С) и оттаивания (в воде) в насыщенном водой состоянии. В лабораторных условиях замораживание образцов производят в холодильных камерах. Один- 47 два цикла замораживания в камере дают эффект, близкий к трех- пятигодичному действию атмосферы. По морозостойкости, т.е. по числу выдерживаемых циклов замо- раживания и оттаивания, материалы подразделяют на марки (F): 10; 15; 25; 35; 50; 100; 150; 200; 300; 400 и 500. Так, марка по морозостойкости штукатурного раствора F 50 означает, что раствор выдерживает не менее 50 циклов попере- менного замораживания и оттаивания без потерь прочности (не более 25 %) и массы (не более 5%); ускоренный метод испытания (сульфатный) По этому способу образцы по- гружают в насыщенный раствор сернокислого натрия Na 2 SO 4 2Н 2 О, а затем вы- сушивают при температуре 100…110 о С. Образующиеся при этом в порах кам- ня кристаллы со значительным увеличением объема давят на стенки пор еще сильнее, чем вода при замерзании. Поэтому один цикл испытания в растворе сернокислого натрия приравнивается к 5…10 циклам прямых испытаний замо- раживанием; метод глубокого замораживания . Позволяет оценить морозостойкость бук- вально за несколько часов. По величине области, которую ограничивают линии замораживания и оттаивания, судят о морозостойкости материала (чем больше гистерезис, тем менее морозостоек материал). Низкие температуры активно влияют на изменение свойств конструкци- онных и отделочных полимерных материалов, эксплуатируемых в не отапли- ваемых помещениях. Это светопрозрачные покрытия из поликарбоната и акри- ловых пластмасс, полиэтиленовые трубы, облицовочные материалы их жестко- го поливинилхлорида, некоторые герметики и т.д. По мере понижения темпе- ратуры (ниже минус 10 о С) они теряют эластичность, упругость, ухудшаются и другие эксплуатационные свойства. Хладостойкость – свойство некоторых материалов, преимущественно металлов, резины, каучука и пластмасс, сохранять пластичность, вязкость и другие эксплуатационные свойства при понижении температуры. Оценку хладостойкости производят путем испытаний на ударный изгиб образцов с надрезом, определяя при этом работу деформации и разрушения. Хладостойкость характеризуется критической температурой хрупкости, при которой материал переходит из пластического состояния в хрупкое состо- яние. Повышают хладостойкость полимерных материалов введением специ- альных компонентов. Это особенно важно для пленочных покрытий, использу- емых в тентовых и пневматических конструкциях, где действие низких темпе- ратур сочетается со значительными механическими нагрузками. 4.5 Теплофизические свойства Свойства материалов, связанные с изменением температуры, отно- сят к теплофизическим. Они важны для теплоизоляционных и жаростойких материалов, для материалов ограждающих конструкций и изделий, твердею- щих при тепловой обработке. Теплоемкость – свойство материала поглощать при нагревании и отда- вать при охлаждении определенное количество теплоты. Теплоемкость – мера энергии, необходимой для повышения температуры материала. 48 Для нагревания материала массой m (кг) до определенной температуры необходимо затратить количество тепла Q (Дж), пропорциональное массе ма- териала и повышению температуры на (t 1 – t 2 ) о С. Теплоемкость, отнесенную к единице массы, называют удельной теплоемкостью С [Дж/ (кг о С)]: С = Q/ m (t 1 – t 2 ). Удельная теплоемкость равна количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 кг материала на 1 о С. У органических материалов она обычно выше, чем у неорганических [кДж/ (кг о С)]: древесина – 2,38...2,72; сталь – - 0,46, кирпич, бетон – 0,75…0,92; природные каменные материалы – 0,18…0,22; вода – 4,187. Наибольшую теплоемкость имеет вода, поэтому с повышением влажности материалов их теплоемкость возрастает на величину, равную С = С + 0,01 W ο Теплоемкость строительных материалов учитывают при определении теплоустойчивости наружных ограждений отапливаемых зданий; при расчете необходимого подогрева некоторых материалов (растворов, бетонов, мастик) для работы в зимнее время; при расчете отопительных систем и т.д. С целью лучшей аккумуляции тепла в стенах и перекрытиях, для вы- равнивания колебаний температурного режима помещений, в наружных ограждающих конструкциях следует применять материалы с высокой удель- ной теплоемкостью. Теплоустойчивость конструкции – способность длительное время со- хранять постоянный температурный режим. Теплоустойчивость определяется массивностью и теплоемкостью материала (чем больше теплоемкость, тем большее количество тепла может аккумулировать конструкция), а также его теплопроводностью (чем меньше теплопроводность, тем медленнее материал отдает тепло в окружающую среду). Теплопроводность – свойство материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на противопо- ложных поверхностях. Это свойство важно для теплоизоляционных материа- лов, применяемых при устройстве ограждающих конструкций (стен, перекры- тий, покрытий). Теплопроводность материала зависит от его строения, химического со- става, пористости и характера пор, от влажности и температуры, при которой проходит передача теплоты. Теплопроводность кристаллических веществ за счет кондукции выше, чем у аморфных веществ. При повышении температуры теплопроводность кристаллических веществ (металлов) понижается, а у аморфных повышается. Теплопроводность пористых материалов ниже, чем плотных. Однако материалы с закрытыми порами менее теплопроводные, в отличие от материа- лов с сообщающимися порами. Мелкопористые материалы имеют меньшую теплопроводность, чем крупнопористые. Это объясняется тем, что в крупных и сообщающихся порах возникает движение воздуха, сопровождающееся пере- носом тепла ( конвекция ) и увеличением суммарной теплопроводности. В плот- ных материалах передача тепла от одной частицы к другой ( кондукция ) проис- ходит за счет их колебательного движения. Влажные материалы более тепло- 49 проводные, чем сухие. Это связано с тем, что теплопроводность [Вт/м о С] воз- духа – 0,023, воды – 0,59, а льда – 2,3. Волокнистые материалы имеют неоди- наковую теплопроводность в разных направлениях: у древесины вдоль воло- кон – 0,35 и поперек волокон – 0,175 Вт/м о С. Поэтому торцовый древесный пол имеет большую теплопроводность, чем дощатый. Теплопроводность характеризуют коэффициентом теплопроводности (λ), показывающим, какое количество теплоты (Дж) способен пропустить материал через 1 м 2 поверхности при толщине материала 1 м и разности температур на противоположных поверхностях 1 о С в течение 1 ч. Коэффициенты теплопро- водности [Вт/м о С]: керамического кирпича – 0,82; гранита – 1,4…2,92; меди – 300; стекла – 0,9…1; тяжелого бетона – 1,28…1,55; легкого бетона – 0,35…0,8; стали – 58. Тепловое расширение – свойство материала расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении, оно характеризуется изменением линейных раз- меров, и объема материала при изменении температуры. Для строительных материалов важен температурный коэффициент линей- ного расширения (ТКЛР), показывающий, на какую долю первоначальной длины расширяется материал при повышении температуры на 1 о С. Так, для стали ТКЛР составляет (11...11,9)10 -6 , для бетона – (10...14)10 -6 , для древесины вдоль волокон – (3...5)10 -6 , стекла – 9·10 -6 . В конструкциях, объединяющих несколько материалов, необходимо учитывать ТКЛР каждого; например, в железобетоне хорошо сочетаются сталь и бетон, так ТКЛР этих материалов почти одинаков. В результате значительного различия ТКЛР в композиционных материалах возникают напряжения, которые могут привести не только к появлению мик- ротрещин и короблению, но и к разрушению материалов. Термостойкость – свойство материала сохранять свои основные физи- ко-механические характеристики и не изменять структуру при многократных термических воздействиях. Термостойкость характеризуется предельной температурой, при нагре- ве до которой и при последующем резком охлаждении материала (цилиндри- ческие или призматические образцы) изменяется его прочность. Эта темпера- тура составляет ( о С): для пенобетона – 300, минеральных материалов – 550, асбеста – 700, шамотного кирпича – 1450. Чем меньше ТКЛР, тем больше его термическая стойкость. Высокой термостойкостью отличается кварцевое стекло, у которого ТКЛР – 5·10 -7 . На термостойкость влияет и однородность материала. Например, природные мо- номинеральные каменные материалы (мрамор) более стойки к резким измене- ниям температуры, чем полиминеральные (гранит). Термостойкость полимер- ных материалов характеризуется верхней границей области температур, в ко- торой эти материалы могут нести механические нагрузки без изменения фор- мы, химических превращений (деструкции полимера), недопустимых дефор- маций – так называемая деформационная термостойкость. Огнестойкость – свойство материала выдерживать без разрушения воз- действие высоких температур, пламени и воды в условиях пожара. Огнестойкость конструкционных материалов характеризуется пределом огнестойкости – временем (ч) сопротивления огню до потери прочности. Пре- 50 дел огнестойкости незащищенных стальных конструкций – 0,5 ч, железобе- тонных – 1…2 ч, бетонных – 2…5 ч. Весьма высок предел огнестойкости у ке- рамического кирпича. Строительные материалы по степени огнестойкости подразделяются на сгораемые (древесина, органические вяжущие) – под действием огня и высокой температуры воспламеняются и горят, а процесс горения продолжается после удаления источника огня. Трудносгораемые (фибролит, асфальтобетон) – под действием огня и высокой температуры с трудом воспламеняются, тлеют и обугливаются, процесс горения происходит только при наличии источника ог- ня. Несгораемые (природный камень, металлы) – в условиях пожара не воспла- меняются, не тлеют и не обугливаются. При этом такие материалы, как кера- мический кирпич, черепица и бетоны практически не деформируются, другие – сталь, стекло значительно деформируются и теряют прочность, а мрамор, из- вестняк – разрушаются. Для повышения огнестойкости материалы пропитывают антипиренами, которые при нагревании выделяют газы, не поддерживающие горение, или об- рабатывают огнезащитными составами (силикатные краски), которые образу- ют при воздействии огня закоксовавшийся пористый состав, защищающий ма- териал от дальнейшего нагревания, либо производят отделку несгораемой об- лицовкой, например керамической плиткой. Огнеупорность – свойство материала выдерживать длительное воздей- ствие высокой температуры (от 1580 о С и выше), не деформируясь и размягча- ясь. Показателем огнеупорности является температура ( о С), под действием которой образец испытуемого материала в виде усеченной трехгранной пира- миды (пироскоп Зингера) размягчается и деформируется так, что его вершина касается основания. Материалы и изделия, обладающие огнеупорностью 1580 о С и выше, называют огнеупорными, а менее 1580 о С – жаростойкими. По отношению к длительному воздействию высоких температур строи- тельные материалы делят на следующие группы: легкоплавкие , – с огнеупорностью ниже 1350 о С (строительный керамиче- ский кирпич); тугоплавкие , – выдерживающие действие температуры 1350…1580 о С (као- лин, гжельский кирпич); огнеупорные – 1580…1770 о С (кварц, корунд, динасовый и шамотный кир- пич); высокоогнеупорные – 1770…2000 о С (оксид магния, высокоглиноземистый кирпич); высшей огнеупорности – выше 2000 о С (магнезитовые и графитовые матери- алы). Различают огнеупорные материалы штучные (кирпичи, блоки, трубы), бетонные и растворные смеси, обмазки и набивные массы. Основная область их применения – кладка печей на металлургических и других предприятиях, обмуровка котлов, где они могут выдерживать действие высоких температур и нести определенную нагрузку. 51 4.6 Химические свойства Химические свойства характеризуют способность материала к химиче- ским превращениям под воздействием веществ, с которыми он находится в со- прикосновении. Эта группа свойств выражает способность и степень активно- сти материала к химическому взаимодействию с реагентами внешней среды и, кроме того, способность сохранять постоянный состав и структуру материала в условиях инертной окружающей среды. К ним относят химическую активность, коррозию, растворимость, ко- гезию и адгезию. Химическая активность – это способность материала вступать в хими- ческое взаимодействие с веществами окружающей среды или изменять свой состав и структуру со временем под влиянием таких воздействий, как солнеч- ная радиация и температура. В окружающей конструкцию воздушной или водной среде содержатся растворенные вещества, например, СО 2 и SО 3 , образующие кислоты, могут присутствовать щелочи NаОН, КОН и т.д., а также соли различных кислот. Многие из них обладают высокой химической активностью и, взаимодействуя с компонентами строительного материала, образуют новые вещества, появле- ние которых может оказывать положительное или отрицательное действие на материал. Например, углекислота, взаимодействуя с Са(ОН) 2 строительных растворов, образует СаСО 3 , который способствует росту его механической прочности. Наоборот, избыток СО 2 в воде, окружающей бетонную конструк- цию, может вызвать ее полное разрушение вследствие взаимодействия содер- жащейся в цементном камне СаО с образованием растворимого Са(НСО) 3 Самым опасным врагом для многих памятников архитектуры стал смог. За каких-нибудь полсотни лет этот вредоносный спутник промышленного го- рода нанес храмовым постройкам Акрополя в Афинах большой ущерб, чем все остальные беды за предшествующие две с половиной тысячи лет. Содержа- щийся в смоге диоксид серы даже при минимальной влажности разъедает мра- мор, превращая его в гипс. В 1979 г. кариатид сняли с храма Эрехтейон и пе- ренесли в небольшой археологический музей Акрополя. Массивные трехмет- ровые женские фигуры были заключены в герметический стеклянный куб, наполненный газообразным азотом, который предотвращает дальнейшее пре- вращение мрамора в гипс и его разрушение. Кариатиды будут храниться в азотной «оболочке» до тех пор, пока не построят новое здание музея с подхо- дящими климатическими условиями. Многие растительные масла, взаимодействуя с кислородом воздуха, окисляясь, полимеризуются, чем объясняется «высыхание» масляных красок. Во многих полимерных материалах процесс укрупнения молекул под действи- ем солнечной радиации, кислорода воздуха и температуры продолжается и по- сле изготовления из них изделий, что приводит к их «старению» – переходу из одного физико-химического состояния в другое с изменением свойств и проч- ностных характеристик. Способность к химическому взаимодействию определяется химическим составом и структурой вещества. Так, кристаллическая кремниевая кислота в виде минерала кварца, обладающая большой ионной плотностью ( Р = 0,474), 52 вступает в химическое взаимодействие со щелочами только при высоких тем- пературах, тогда как аморфная кремневая кислота, имеющая малую ионную плотность (Р = 0,6396), может взаимодействовать со щелочами при комнатной температуре. Механическое разрушение кристаллов также может временно увеличивать химическую активность веществ. Особо важной для строительных материалов является их способность к химическому взаимодействию с водой – гидратации (присоединение воды) и гидролизу (расщеплению водой с общей тенденцией образования исходных продуктов). При гидратации строительного гипса (взаимодействие порошка СаSО 4 0,5Н 2 О и Н 2 О) происходит изменение кристаллической структуры с об- разованием быстротвердеющего гипсового камня. Процессы гидролиза и гид- ратации играют большую роль при твердении портландцемента, а количество связанной воды в кристаллогидратах оказывает существенное влияние на свойства цементного камня. При одинаковом В/Ц цементный камень будет тем плотнее, чем большая часть воды затворения будет связана в кристаллогидра- тах, а значит он будет менее водо- и газопроницаемым и более стойким против внешних воздействий. Растворимость – это способность веществ образовывать молекулярные или ионные дисперсии в соответствующих средах. Для минеральных веществ такой средой является вода, для органических веществ – бензин, спирт, скипи- дар и т.д. Мерой растворимости веществ является их концентрация в насы- щенном растворе в г/л. Растворимость веществ зависит от количества в них модифицирующих катионов и их валентности, а также от величины энергии связи катионов с окружающими их анионами; температуры (пропарка или электропрогрев позволяет во много раз ускорить процесс формирования це- ментного камня в бетоне); структуры (аморфные вещества более растворимые, чем кристаллические вещества); величины удельной поверхности (чем она больше, тем быстрее частицы цемента взаимодействуют с водой и образуют цементный камень); ионной плотности; концентрации растворенного вещества в растворителе (в ненасыщенных растворах происходит растворение, а в пере- сыщенных – кристаллизация); наличию сопутствующих химическому раство- рению химических реакций. Значение растворимости в технологии и эксплуатации строительных ма- териалов чрезвычайно велико. Высокая растворимость обеспечивает большую скорость химических реакций, обусловливает рост кристаллов, без чего невоз- можно твердение бетонов и растворов. Химическая стойкость – способность материалов противостоять разру- шающему влиянию щелочей, кислот, растворенных в воде солей и газов. Очевидно, что кислотостойкостью будут обладать материалы, состоящие из минералов – кислот или солей сильных кислот, не подвергающихся гидро- лизу. Такими материалами являются гипс, гранит, силикатное стекло, шлако- ситаллы, кислотостойкий бетон. Высокой сопротивляемостью по отношению действия кислот и щелочей обладают керамические материалы с очень плот- ным черепком (например, облицовочные плитки, плитки для полов, канализа- ционные трубы), материалы на основе пластмасс (трубы, пленки и др.) 53 Для обеспечения солестойкости материал не должен содержать веществ, которые могли бы вступать в химическое взаимодействие с солями, содержа- щимися в окружающей среде. Например, цементный камень бетона содержит вещество 3СаОА1 2 Оз6Н 2 О, которое, взаимодействуя с растворенным в воде СаSО 4 , образует комплексное соединение – 3А1 2 Оз3СаSО 4 31Н 2 О. За разруша- ющее действие на цементный камень это соединение назвали цементной ба- циллой. Щелочестойкостью обладают материалы, состоящие из сильных основа- ний. Например, для футеровки металлургических печей применяются магнези- товый (MqO) и доломитовый (CaOMqO) кирпичи и набивки, так как шлаки в этих печах являются основными. К щелочестойким материалам относятся бе- тоны на основе портландцемента и глиноземистого цемента. Существует два метода определения кислотостойкости и щелочес- тойкости – испытание раздробленного материала и цельных образцов (50х30 мм). Химическую стойкость (в процентах) определяют и в том и в другом слу- чае отношением массы измельченного материала (целого образца – m 1 ), обра- ботанного определенными растворами кислот или щелочей, к его массе до об- работки (m): К(Щ) = m 1 100/m. Биологическая стойкость–способность материалов противостоять раз- рушающему воздействию биологической коррозии (заражению грибками, ли- шайниками и т.п.). Металлы и их сплавы, каменные и неорганические материалы, большин- ство пластмасс практически биостойкие. Влажная древесина и некоторые дру- гие органические материалы слабо сопротивляются воздействию биологически активной среды. Радиационная стойкость – способность материала противостоять воз- действию интенсивных потоков радиационного излучения, изменяющего его структуру и свойства. Интенсивность излучения выражается в рентгенах, соот- ветствующих 0,11 эрга энергии. Под воздействием радиоактивного облучения у металлов заметно вы- растает предел текучести (у нержавеющей стали в 3 раза), у углеродистой ста- ли и алюминиевых сплавов уменьшается пластичность, у керамических мате- риалов уменьшается плотность и теплопроводность, появляются признаки аморфизации структуры, а стекло окрашивается. При взрывах ядерных устройств, работе ядерных реакторов, в рентге- новских лабораториях и лечебных кабинетах активные частицы – нейтроны, рентгеновские и γ-лучи, проникая в живой организм, ионизируют ткани и вы- зывают тяжелые заболевания. Препятствием для распространения активных частиц являются ядра атомов. Чем большую часть объема атома они занимают, тем выше их эффек- тивность как поглотителя активных частиц. Поэтому для защиты от радиоак- тивного излучения применяют материалы, содержащие атомы или ионы эле- ментов с большим атомным весом (свинец, барий, железо и др.) или ионы с тонкой электронной оболочкой (алюминий, бор, кадмий, углерод, водород и 54 его изотопы). В общем случае способность к поглощению активных частиц примерно пропорциональна средней плотности материала. Радиационную стойкость рас- сматривают либо как сравнительную характеристику поведения различных ма- териалов в одинаковых заданных условиях, либо как предельную дозу, соот- ветствующую допустимому изменению свойств материала по условиям его эксплуатации в зданиях и сооружениях, где возможно такое облучение (атом- ные электростанции, научно-исследовательские центры). Толщина стенки, обеспечивающая достаточное уменьшение интен- сивности излучения, определяется по формуле Т = 51,5/ρ о lg ρ о ε 1 /ε 2, где ρ о – средняя плотность материала стенки, т/м 3 ; ε 1 – интенсивность источника излучения, ε 2 – допускаемая интенсивность. |