Архит._материал._-_Шеина_Ч1. Т. В. Шеина архитектурное материаловедение
 Скачать 23.57 Mb.
|
|
4.7 Дисперсные системы Дисперсность – характеристика размеров твердых частиц и капель жид- кости (чем мельче частицы, тем больше дисперсность). Дисперсные системы – образования из двух или большего числа фаз (тел) с сильно развитой поверхностью раздела между ними. В дисперсных си- стемах дисперсная фаза распределена в виде мелких частиц (кристалликов, ка- пель, пузырьков) в дисперсионной среде – газе, жидкости или твердом теле. Степень дисперсности определяется как величина, обратная размеру дисперсной частицы а: D = 1/а, см -1 . По степени дисперсности все дисперсные системы можно разделить на три группы: Молекулярно - и ионно - дисперсные (дисперсиды) , размер частиц которых менее 1 мкм. Такие дисперсные системы проходят через все фильтры, не осе- дают. Хорошо подвергаются диализу, диффундируют, в ультамикроскопе не видны. Коллоидно - дисперсные с размером частиц от 100 до 1 мкм. Такие системы задерживаются только в ультрафильтрах, не оседают, не диализируют, слабо диффундируют. Обнаруживаются при помощи ультрамикроскопа. Грубо - дисперсные (суспензии, эмульсии, порошки, пена) с размером частиц более 100 мкм. Они не проходят через тонкие бумажные фильтры, быстро осе- дают, не диализируют и не диффундируют, видимы в обычный микроскоп. Степень дисперсности характеризуется также удельной поверхностью (рисунок 34). Удельная поверхность – суммарная поверхность всех частиц единицы массы вещества (см 2 /г). Удельная поверхность тонкомолотых материалов до- стигает больших значений (см 2 /г): обычного портландцемента – 2000...2500, а тонкомолотого быстротвердеющего – 3000...4000. Наиболее общая классификация дисперсных систем основана на разли- чии в агрегатном состоянии дисперсной фазы и дисперсионной среды. Три аг- регатных состояния вещества позволяют выделить девять типов дисперсных 55 систем. Например, твердые гетерогенные системы – минералы, сплавы, ситал- лы, бетон (Т/Т); капиллярыне системы – грунты, жидкость в пористых телах, адсорбенты в растворах (Т/Ж); суспензии и пасты (Ж/Т); эмульсии (Ж/Ж); пе- ны (Ж/Г), порошки (Г/Т). а б Рисунок 34 – Диспергирование (от лат dispergo – рассеиваю, распыляю) – тонкое измельчение твер- дого тела, в результате которого образуются дисперс- ные системы: а – частица до дробления; б – после дробления Дисперсные системы могут быть не только двухфазными – холодная эмульсионная краска на основе яичного белка (желтка) с эмульсионной смесью воды и льняного масла или матрон – бесцветная или белая эмульсионная крас- ка с добавкой тугоплавкого фарфорового порошка, который придает обжигае- мому слою шелковистый матовый вид, а также повышает химическую устой- чивость, но и трехфазными. В природных условиях диспергирование сопровождает тектонические процессы выветривания горных пород с образованием глин и природных пес- ков, почвообразование. В промышленности диспергированием – измельчением с помощью мельниц различного типа получают искусственный щебень, песок и минеральные порошки. 56 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ Свойства, выражающие способность материала к восприятию опреде- ленных технологических операций с целью изменения формы, размеров, ха- рактера поверхности, плотности, называют технологическими. Из бетонной или растворной смеси нетрудно отформовать изделие за- данной формы и требуемых размеров. Во время изготовления изделие можно уплотнить вибрированием, трамбованием или другими технологическими при- емами, оштукатурить и загладить его поверхность. Классическим примером технологичного материала является древесина. Ее легко тесать, строгать, свер- лить и распиливать, а также долбить, перепиливать, раскалывать и склеивать. Древесина хорошо шлифуется и полируется, окрашивается и лакируется, со- единяется гвоздями и шурупами, винтами, нагелями и врубками. Весьма тех- нологичны металлы, их обрабатывают в холодном, нагретом и расплавленном состоянии. Из глины можно отформовать изделия любой формы, а после сушки и обжига получить не размокающий в воде керамический каменный материал, весьма прочный и долговечный. Удобоукладываемость – важнейшее технологическое свойство строи- тельного раствора легко укладываться тонким и плотным слоем на пористое основание и не расслаиваться при транспортировании, перекачивании насоса- ми и хранении. В свою очередь, удобоукладываемость зависит от подвижности (растекаемости) и водоудерживающей способности растворной смеси. К технологическим свойствам готовых к употреблению лакокрасочных материалов относят степень потертости красок (чем тоньше растерта краска, тем легче ее наносить на поверхность), время и степень высыхания материала, условную вязкость, розлив, адгезию покрытия с поверхностью, способность покрытий шлифоваться и полироваться. Адгезия – сцепление и связь между находящимися в контакте поверхно- стями разнородных по составу твёрдых или жидких материалов, обусловлен- ные межатомными силами притяжения. Адгезионная способность проявляется в сопротивлении отрыву или разделению контактирующих материалов. Это свойство имеет большое значение при сварке и пайке материалов, склеивании, нанесении защитно-декоративных (эмалевых, лакокрасочных и др.) покрытий, когда в начальной стадии одна из фаз находится в жидком состоянии. 57 6 ДЕКОРАТИВНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ Эстетическое впечатление, которое производит материал, зависит от объективных характеристик его внешнего вида и психофизиологических осо- бенностей наблюдателя, в том числе художественного вкуса, настроения и т.д. Большое значение имеет архитектурно-художественная сочетаемость оценива- емого материала с другими, применяемыми на строительном объекте, и с окру- жающей природной или искусственной средой. Физическими показателями декоративности являются: цвет, фактура и текстура штучных изделий, кроме того, форма, которая должна быть эсте- тически осмысленной, строгой и пропорциональной. Человек видит несамосветящийся предмет потому, что на его орган зре- ния действует видимое излучение (свет), отраженное поверхностью предмета. Без света нет зрительного восприятия конфигурации предмета, цвета и состоя- ния его поверхности. Свет – это относительно небольшой участок спектра электромагнитных волн, нижняя граница которого лежит в интервале длин волн в нанометрах (нм) от 380 до 400, а верхняя – от 760 до 780. Белый свет представляет собой совокупность лучей разного цвета. Разложение солнечного света с помощью стеклянной призмы на лучи с различными длинами волн дает цветовые диапа- зоны спектра. При падении светового потока на поверхность непрозрачного материала часть лучей отражается поверхностью, часть – поглощается ею. Отражение света характеризуется коэффициентом отражения, равным отношению потока энергии отраженной волны к потоку энергии, падающей на поверхность. В за- висимости от состояния поверхности отражение может быть зеркальным, про- исходящим в одном определенном направлении, или диффузным, т. е. рассе- янным. Для окрашенных поверхностей поглощение энергии происходит изби- рательно для лучей различного цвета. Цвет – свойство материала вызывать у наблюдателя определённое зри- тельное ощущение. Цвет непрозрачного материала определяется цветом отра- женных лучей света. Поверхность воспринимается зеленой потому, что она от- ражает зеленые и ближайшие к ним по спектру лучи, а прочие поглощает, бе- лой – потому что она одинаково хорошо отражает все падающие лучи, а чëр- ной – потому что она все лучи одинаково активно поглощает. Принято выделять семь основных цветов, расположенных в строгой по- следовательности, – это красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, си- ний и фиолетовый. В свою очередь, каждый из названных цветов имеет мно- жество цветовых оттенков, плавно переходящих один в другой. Поэтому спектр называют непрерывным и границы между отдельными цветами указы- вают ориентировочно. Цвет поверхности как зрительное ощущение зависит от спектрального состава лучей источника света. В спектре электрической лампы накаливания почти полностью отсутствуют синие и фиолетовые лучи, из-за чего при искус- ственном освещении голубые цвета зеленеют, оранжевые краснеют, синие и фиолетовые приобретают пурпурный оттенок и т.д. 58 Таким образом, цвет материала обусловлен следующими факторами: его окраской; состоянием поверхности, определяющим ее отражательную способ- ность; оптическими характеристиками источника света и среды, через которую свет распространяется; окружающим цветовым фоном и физиологическими особенностями наблюдателя. Для получения гармоничного цветового решения интерьеров по- мещений и фасадов зданий необходимо знать свойства цветов и их сочетаний. С физической точки зрения всякий цвет можно выразить тремя характе- ристиками: цветовым тоном (цветностью), светлотой и насыщенностью. Лю- бое изменение цвета обязательно вызывает изменение хотя бы одного из этих характеристик. Все цвета, встречающееся в природе, делятся на две отличающиеся по своим характеристикам группы: ахроматические (бесцветные) и хроматиче- ские (определенные по цвету). Ахроматические цвета: бело-серо-черные, отсутствуют в спектре и раз- личаются только светлотой. Светлота – это способность отражать свет; характеризуется коэффици- ентом отражения, который для белых поверхностей приближается к 100 %, а черных (сажа, черный бархат) – к нулю. Оттенки серого цвета получают сме- шением белого и черного, в различных пропорциях. Человеческий глаз в со- стоянии различить около 300 ахроматических цветов. Хроматические цвета имеют следующие характеристики: цветовой тон , который позволяет приравнять цвет поверхности к одному из спектральных; описывается названиями цветового типа (красный, синий, желто-зеленый и др.); количественно выражается длиной волны одинакового по оттенку спектрального цвета; светлота , которая для хроматической поверхности определяется коэффи- циентом отражения равносветлого с ней ахроматического цвета; связана в со- знании с количеством белого или черного пигмента. Наименование цвета по- лучают добавлением понятий, указывающих на степень светлоты: «светлый», «темный», «очень темный» и др.; насыщенность (чистота) показывает степень цветового тона. В сознании она связана с содержанием красящего вещества. Оценивается долей чистого спектрального цвета в смеси спектрального и ахроматического той же светло- ты. Выражается в наименовании цвета понятиями типа: «яркий», «чистый», «интенсивный», «бледный» и др. Совмещение отдельных спектральных цветов в определенном соотноше- нии дает белый цвет. Из спектральных цветов можно выделить три цвета, смешением которых в разных пропорциях получают любой другой цвет. Такие цвета называют ос- новными. Обычно используется система: «красный – желтый – синий». Например, зеленый цвет получают, смешивая синий и желтый, а фиолетовый – смешивая красный и синий и т.д. Остальные цвета спектра называют смешан- ными. Каждый основной или смешанный цвет можно сделать светлее или тем- нее, добавив к нему соответственно белый или черный цвет. 59 Для каждого хроматического цвета существует другой хроматический цвет, при смешивании с которым в определенной пропорции получается серый (ахроматический) цвет. Такие цвета называют дополнительными. Дополни- тельные цвета при совместном использовании усиливают друг друга. Так, если на красном фоне сделать зеленый рисунок, то зеленый цвет рисунка и красный цвет фона будут казаться более яркими. В отделочных работах, различают холодные и теплые цвета. По ассоци- ации с оттенками льда и огня к холодным относят голубые, синие и фиолето- вые цвета, а к теплым – красные, оранжевые и желтые. Зеленый цвет в зависи- мости от того, преобладает в нем желтый или синий цвет, может быть соответ- ственно теплым или холодным. Для эффективного использования материалов, главным образом поли- мерных, обоев, а также лакокрасочных покрытий в местах с систематическим активным воздействием световых лучей важно учитывать их цветоустойчи- вость. Цветоустойчивость – это способность материала сохранять окраску при длительном воздействии оптического излучения, включающего, кроме види- мого, излучение ультрафиолетовой и инфракрасной частей спектра. Стойкость окраски проверяют облучением образцов в естественных условиях крышных испытаний или ускоренно – в лабораторных аппаратах ис- кусственной погоды при освещении ксеноновыми или ртутно-кварцевыми лампами. При определении цветоустойчивости устанавливают цветовые раз- личия (визуально или инструментальным методом) между контрольными об- разцами и образцами, подвергнутыми световому облучению. Фактура – характер лицевой поверхности материала, определяемый сте- пенью ее неровности или, наоборот, гладкости. Неровность поверхности зри- тельно воспринимается вследствие неодинаковой освещенности отдельных участков и появления на ней светотеневых неравномерностей. По характеру поверхности материала выделяют два типа фактур: рель- ефные и гладкие. Рельефные фактуры различаются по высоте и характеру рельефа. В зави- симости от характера рельефа выделяют организованную фактуру с повторя- ющимся, равномерным, часто геометрическим рисунком рельефа и неоргани- зованную с неравномерным, случайным расположением выступов и углубле- ний. Пример первый – рифленая фактура облицовочных плит из природного камня, второй – фактура фасадных бетонных плит с обнаженным декоратив- ным заполнителем. Гладкие фактуры (зеркальная, глянцевая, лощеная, матовая) различаются по степени обработки поверхности и по разному отражению падающего на материал света. Материалы с очень гладкой поверхностью отражают свет в од- ном определенном направлении, с которого эта поверхность выглядит блестя- щей. Для зеркальной поверхности характерно четкое отражение предметов. Материалы с шероховатой поверхностью отражают свет рассеяно, в разных направлениях. Такая поверхность с любой точки выглядит как матовая – рав- номерно освещенная, но не блестящая. Глянцевая и лощеная поверхность за- 60 нимают промежуточное положение между зеркальной и матовой поверхно- стью. Количественно степень гладкости лицевой поверхности отделочных ма- териалов характеризуют блеском, т.е. способностью направленно отражать световой поток. Этот показатель определяют с помощью фотоэлектрического блескомера и используют при оценке качества полимерных лакокрасочных по- крытий, полируемости природных каменных материалов и т.д. Отделочные материалы на лицевой поверхности могут иметь оп- ределенный естественный или специально нанесенный рисунок. Естественный рисунок ( текстура ) образует на поверхности характерную структуру в зависимости от особенности строения материала: формы, размера, характера взаимного расположения, окраски и блеска структурных составля- ющих материала. Текстура образуется: у древесины – годичными кольцами, сердцевинными лучами и волокнами; у природного камня – зернами, прожил- ками и порами; у бетона – цементным камнем, мелким и крупным заполните- лем и т.д. Прозрачность – свойство материала пропускать свет, не изменяя направление его распространения. Количественно определяется как отношение интенсивности света, прошедшего входную поверхность (Ι 1 ) к интенсивности падающего света на противоположную поверхность материала (Ι о ). Этот пока- затель называют коэффициентом прозрачности: τ = Ι 1 / Ι о Прозрачность материала зависит от его состава и строения, толщины слоя и длины световой волны, а также угла падения. Слой материала может быть непрозрачным (τ = 0), однако пропускаю- щим рассеянный свет, т.е. быть просвечивающим. Свойство материала, харак- теризующее его непрозрачность для световых лучей, называется оптической плотностью. Для повышения декоративности материала на его поверхность рисунок может наноситься покраской, печатью или иным способом. Современная тех- нология изготовления искусственных, прежде всего полимерных, отделочных материалов, позволяет получать неограниченное разнообразие рисунков, включая специально созданные декоративные текстуры. Декоративность отделки снижает дефекты внешнего вида, главным об- разом, лицевой поверхности используемых материалов и изделий: отклонения от требуемой формы и размеров, трещины, отбитости углов и ребер, поверх- ностные дефекты, неравномерность окраски, шероховатость поверхности (для древесины). Декоративные свойства материалов оценивают путем сопоставления с утвержденными в установленном порядке образцами-эталонами. Для сравне- ния используются эталоны физических свойств, например, молочное матовое стекло с известным коэффициентом отражения – для контроля белизны белого цемента и наборы стандартных образцов. Например, оттенки типографической краски на бумаге или окрашенные кусочки ткани, приведенные в соответству- ющих «Атласах цветов» и «Колерных книгах»; принятые образцы выпускае- мой продукции. 61 Сопоставление эстетических показателей проводят визуально (на глаз) или более точно инструментальными методами. При измерении цветовых ха- рактеристик следует использовать приборы с фотоэлектрической регистрацией данных, чтобы исключить ошибку наблюдателя. Когда необходимо точно определить цвет материала, например, при по- лучении окрасочного состава заданного цветового тона, возможно непосред- ственное определение цвета и его цифровое выражение в виде набора трех чи- сел – координат цвета. Для этого применяют различные инструментально- расчетные методы, использующие высокоточные приборы: колориметры, ком- параторы цвета, спектрофотометры. При визуальном методе цвет, фактуру и рисунок оценивают в тех условиях освещения, при которых предполагается эксплуатация материала в отделке или на нейтральном цветовом фоне (белом, сером). 62 7 Композиционные материалы 7.1 Классификация композиционных материалов История возникновения искусственных композиционных материалов восходит к истокам цивилизации, когда человек начал сознательно конструи- ровать новые материалы. Первые упоминания о саманных кирпичах можно найти в Библии. В Египте и Месопотамии строили речные суда из тростника, пропитанного битумом (прототип современных лодок и тральщиков из стекло- пластиков). Изготовление мумий в Египте можно считать первым примером использования ленточной намотки ткани, пропитанной смолой. В древней Ин- дии деревянные стволы пушек обматывали лианами и также пропитывали смо- лами, которые отверждались месяцами, однако дальность и точность стрельбы из такого орудия, легкость его транспортировки давали неоспоримое преиму- щество. Ярким примером эффективного применения композитов уже в средние века является использование в войсках Чингисхана (а позднее – в Европе) двухслойного лука, наружная и внутренняя части которого были изготовлены из различных пород древесины и затем склеены. Настоящий бум в современном композиционном материаловедении воз- ник в первой половине ХХ в., с когда появилось промышленное производство высококачественных стекловолокнистых материалов и фенолоформальдегид- ных смол. Потом были созданы органические, углеродные, борные, карбидо- кремниевые и другие волокна с уникальными свойствами, а также широкий набор разнообразных полимерных связующих, разработаны промышленные методы изготовления полимерных композитов и изделий из них. Главное их достоинство заключается в сочетании высоких упругопрочностных характери- стик с малым весом. Удельная прочность однонаправленных армированных пластиков (δ/ρ) достигает 200 МПа, а удельный модуль упругости (Е/ρ) – 10000 МПа, что в несколько раз выше по сравнению с традиционными металлами. В настоящее время в стройиндустрии используют двухкомпонентные композиты с неориентированной структурой (наполнение 30…40 %) и ориен- тированной структуры (наполнение 50…75 %), высоко- и предельно напол- ненные волокниты (75…95 %), а также трехкомпонентные композиты, совме- щающие дисперсные частицы и короткие волокна. Поливолокные гибридные композиты, совмещающие волокна с близкой (стеклоорганопластики) или, наоборот композиты, с существенно различной (стеклоуглепластики) деформа- тивностью; полиматричные структуры, например, на основе термореактивных и термопластичных смолах. Освоен выпуск композиционных материалов с переменной структурой, которые называются градиентными. Такая структура используется для кор- рекции напряженно-деформационного состояния элементов конструкции. По степени ориентации наполнителя (анизотропии материала) композиты выпус- кают с изотропной (квазиизотропной) структурой – с хаотическим расположе- нием частиц и волокон; с резкой выраженной анизотропией, в которых присут- ствует однонаправленная ориентация волокон; с заданной анизотропией – пе- рекрестная (ортотропная) ориентация 0 и 90 о и косоугольная ориентация воло- кон, а также веерная, состоящая из слоев различной ориентации волокон. 63 На сегодня в архитектуре и строительстве применяют однофункциональ- ные (конструкционные); многофункциональные, способные к самодиагности- рованию (умные), и многофункциональные, способные к самодиагностирова- нию и самоадаптации (интеллектуальные) композиционные материалы. «Ин- теллектуальные» композиты способны адекватно новым нагрузкам изменять свои характеристики и форму и самостоятельно «регулировать» степень своей реакции на новые условия в соответствии с уровнем их изменения. Для «ин- теллектуального» поведения композит должен иметь нелинейно изменяющие- ся свойства. «Интеллектуальность» композитов основывается на контроле ос- новных функций, оптимизации свойств путем обучения, наличия в них датчи- ков, контролирующих изменение факторов окружающей среды. Способности композитов анализировать ситуацию, возникшую в результате изменения окружающей среды и реагировать на результаты собственного анализа окру- жающей среды. «Интеллектуальные» способности композиционным материа- лам обеспечивают входящие в их состав компоненты с памятью формы, спла- вы с магнитными свойствами, волоконно-оптические и пьезоэлектрические датчики, электрореологические жидкости и другие элементы, обладающие не- сколькими нелинейно изменяющимися характеристиками. Материалы сложного состава, образующиеся путем сочетания различных фаз с границей раздела между ними, называются композиционными.Этогете- рофазные системы, получаемые из двух или более компонентов с сохранением индивидуальности каждого из них. В композиционных материалах – компози- тах разнородные компоненты создают синергетический эффект – новое каче- ство материала, отличное от свойств исходных компонентов. Компонент, непрерывный в объеме композиционного материала, назы- вается матрицей (связующим). Матричными материалами могут быть металлы и их сплавы, керамика, неорганические и органические полимеры. По веще- ственной природе матрицы подразделяют на следующие виды: полимерные; металлические; неорганические (минеральные вяжущие); комбинированные (полиматричные). Матрица обеспечивает форму и сплошность материала, пе- рераспределяет нагрузки по его объему, защищает армирующие компоненты от механических и коррозионных воздействий. Вещественная природа матри- цы предопределяет термическую и коррозионную стойкость композиционного материала (далее КМ). Компоненты, распределенные в матрице в форме зерен, волокон или пластин, нитей и тканей, называются дисперсной арматурой (фиброй или арми- рующим компонентом). Армирующие компоненты классифицируют в зависи- мости от геометрических признаков и порядка их расположения в матрице (таблица 6). Армирующие компоненты вводят в матрицу с целью улучшения кон- струкционных свойств КМ. По порядку расположения армирующих компонен- тов в матрице (макроструктуре) КМ бывают дисперсно-упрочненные (изо- тропные) и дисперсно-армированные (анизотропные). Дисперсно-упрочненные КМ содержат равномерно распределенные в объеме матрицы нульмерные армирующие компоненты (бетоны, растворы). 64 Дисперсно-армированные КМ содержат равномерно распределенные в объеме матрицы одно- или двухмерно армирующие компоненты. Современные строительные композиционные материалы сочетают высо- кую прочность и долговечность с низкой плотностью. Их применение в строи- тельных конструкциях позволяет снизить нагрузку на фундаменты на 30…65 %, трудоемкость возведения зданий – в 1,5…3,0 раза, материалоемкость – в 3…7 раз. Основные области эффективного использования композиционных строительных материалов – это замена металла и других дефицитных строи- тельных материалов; в качестве конструкционных или конструкционно- теплоизоляционных материалов с улучшенными строительно-эксплуатацион- ными свойствами. В конструкционных композитах главное – это коэффициент конструк- тивного качества, превышающий аналогичную характеристику стали примерно в 15 раз. При таком типе нагрузки, ввиду анизотропности композитов, образу- ющиеся деформации не совпадают с возникающими напряжениями. Производство композитов в мире стремительно растет. Для примера, только в США с 1977 по 2005 гг. оборот продаж композитов вырос с 350 000 до 3 000 000 т (рисунок 35). Одновременно в передовых западных странах па- дает потребление стали. С учетом меньшей в 4 раза массы, более высокого (в 2…3 раза) выхода при изготовлении готовых изделий, большей продолжитель- ности эксплуатации (в 2…3 раза), 1,0 т композита может заменить теоретиче- ски 15…25 т, а практически 4…5 т стали. Рисунок 35 – Рост производства композитов в Европе и США |