Раздел 1, Строительное материаловедение 2 страница

очень высокой механической прочностью и твердостью, они весьма тугоплавки.

Ионные связи образуются в кристаллах тех материалов, в ко­торых связь имеет преобладающе ионный характер. Распростра­ненные строительные материалы этого типа гипс и ангидрид имеют невысокую прочность и твердость, не водостойки.

В сложных кристаллах, часто встречающихся в строительных материалах (кальцит, полевые шпаты), осуществляются и кова-

лентная и ионная связи. Внутри сложного иона СО^ связь кова-

лентная, но сам он имеет с ионами Са²⁺ ионную связь. Свойства подобных материалов весьма разнообразны. Кальцит СаСОз при достаточно высокой прочности обладает малой твердостью. У полевых шпатов сочетаются довольно высокие показатели проч­ности и твердости, хотя и уступающие кристаллам алмаза с чисто ковалентной связью.

Молекулярные кристаллические решетки и соответствующие им молекулярные связи образуются преимущественно в кристал­лах тех веществ, в молекулах которых связи являются ковалент- ными. Кристалл этих веществ построен из целых молекул, кото­рые удерживаются друг около друга сравнительно слабыми ван- дер-ваальсовыми силами межмолекулярного притяжения (как в Utn, кристаллах льда). При нагревании связи между молекулами легко ^ разрушаются, поэтому вещества с молекулярными решетками Vk обладают низкими температурами плавления. ^ Силикаты, занимающие особое место в строительных мате- риалах, имеют сложную структуру, обусловившую их особенно­сти. Так, волокнистые материалы (асбест) состоят из параллель­ных силикатных цепей, связанных между собой положительными ионами, расположенными между цепями. Ионные силы слабее ковалентных связей внутри каждой цепи, поэтому механические воздействия, недостаточные для разрыва цепей, разделяют такой материал на волокна. Пластинчатые минералы (слюда, каолинит) состоят из силикатных групп, связанных в плоские сетки.

Сложные силикатные структуры построены из тетраэдров SiC> 4, связанных между собой общими вершинами (общими ато­мами кислорода) и образующих объемную решетку. Это дало основание рассмотреть их как неорганические полимеры.

Состав и свойства

Строительный материал характеризуется химическим, мине­ральным и фазивым ситном

фрар^с^ро! [тельных материалов позволяет су- ала: огнестойкости, биостойкости.

Ло-" рядё £ войств '& < nrepi'

Нйжйгорс-Гц. TOv.vi£: £ r^faei1Hbin apXMTWт^ии гельный

ym-IBU^CKfOT

механических и других технических характеристиках. Химиче­ский состав неорганических веществ (цемента, извести и др.) и каменных материалов удобно выражать количеством содержа­щихся в них оксидов (%). Основные и кислотные оксиды химиче­ски связаны между собой и образуют минералы, которые и опре­деляют многие свойства материала.

Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком количестве содержатся в вяжущем веществе или в каменном мате­риале. Например, в портландцементе содержание трехкальциево- го силиката (3Ca0-Si0₂) составляет 45-60%, причем при большем его количестве ускоряется твердение, повышается прочность це­ментного камня.

Фазовый состав материала и фазовые переходы воды, нахо­дящиеся в его порах, оказывают влияние на все свойства и пове­дение материала при эксплуатации. В материале выделяют твер­дые вещества, образующие стенки пор, т.е. " каркас" материала, и поры, заполненные воздухом и водой. Если вода, являющаяся компонентом этой системы, замерзает, то образовавшийся в по­рах лед изменяет механические и тепломеханические свойства материала. Увеличение же объема замерзающей в порах воды вызывает внутренние напряжения, способные разрушить матери­ал при повторных циклах замораживания и оттаивания.

§ 3. Физико-химические методы оценки состава и структуры

Свойства материалов в значительной степени определяются его составом и поровой структурой. Поэтому для получения ма­териалов с заданными свойствами важно иметь четкие представ­ления о процессах формирования структуры и возникающих но­вообразований, что изучается на микро и молекулярно-ионном уровне.

Ниже рассмотрены наиболее распространенные фкзико-хими- ческие методы анализа.

Петрографический метод используется для исследо­вания различных материалов: цементного клинкера, цементного камня, бетонов, стекла, огнеупоров, шлаков, керамики и т.д. Ме­тод световой микроскопии направлен на определение характер­ных для каждого минерала 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 (иммерсионные жидкости обладают определенными показателями светопреломления); мик­роскопия в проходящем свете - для изучения прозрачных шлифов материалов; микроскопия в отраженном свете - полированных шлифов. Для проведения этих исследований применяют поляри­зационные микроскопы.

Электронная микроскопия применяется для ис­следования тонкокристаллической массы. Современные элек­тронные микроскопы имеют полезное увеличение до 300000 раз, что позволяет видеть частицы размером 0, 3-0, 5 им (I нм = 10 ⁹ м). Такое глубокое проникновение в мир малых частиц стало воз­можным благодаря использования в микроскопии электронных лучей, волны которых во много раз короче видимого света.

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.

В последнее время применяются растровые (сканирующие) электронные микроскопы. Это прибор, в основу которого поло­жен телевизионный принцип развертки тонкого пучка электронов (или ионов) на поверхности исследуемого образца. Пучок элек­тронов взаимодействует с веществом, вследствие чего возникает целый ряд физических явлений, регистрируя датчиками излучения и подавая сигналы на кинескоп, получают рельефную картину изображения поверхности образца на экране (рис. 1.1).

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 (длина волны 0, 05-0, 25-10-» м). Получают их в рентгеновской трубке в результате столкновения катодных элек­тронов с анодом при большой разности потенциалов. 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.

б)

С Конечная конденспрная линза

Область сканирования сфокусированным пучкам электронов Сцитиштор

Усшштми и блоки обработки сигналов

Рис.

1.1. Принципиальная схема электронного микроскопа: а) просвечиваемого (ПЭМ); б) растрового

Каждое кристаллическое вещество характеризуется своим на­бором определенных линий на рентгенограмме. На этом основан качественный рентгенофазовый анализ, задача которого состоит в определении (идентификации) природы кристаллических фаз, содержащихся в материале. Порошковая рентгенограмма поли­минерального образца сравнивается либо с рентгенограммами составляющих минералов, либо с табличными данными (рис. 1.2).

68 64 60 56 52 48 44 40 36 32 28 24 20 16 12 8 4

2в'

Рис. 1.2. Рентгенограммы образцов: а) цемента; б) цементного камня

Рентгенофазовый анализ используется для контроля сырья и го­товой продукции, для наблюдения технологических и процессов, а также для дефектоскопии.

Дифференциально-термический анализ используется для определения минерально-фазового состава строительных материа­лов (ДТА). Основа метода в том, 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. С поглощением тепла идут, на­пример, такие процессы, как дегидратация, диссоциация, плавление - это эндотермические процессы.

Выделение тепла сопровождают окисление, образование новых соединений, переход из аморфного состояния в кристаллические - это экзотермические процессы. Прибором для ДТА являются дери- ватографы, которые в процессе анализа записывают четыре кривых:

а

t

Рис. 1.3. Термограммы цемента: 1 - негидратированного; 2 - гидрати- рованного в течение 7 сут простую и дифференциальную кривые нагревания, и соответственно кривые потери массы. Суть ДТА в том, что поведение материала сравнивается с эталоном, веществом не испытывающим никаких тепловых превращений. Эндотермические процессы дают на термо- граммах впадины, а экзотермические - пики (рис. 1.3).

~ 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Температура, 'С

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.

Приборы-спектрофотомзтры позволяют автоматически реги-

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Волновое число, см" ' Рис. 1.4. ИК-спектры поглощения: а) цементного камня без добавки; б) цементного камня с добавкой

Кроме указанных методов существуют и другие, позволяю­щие определить специальные свойства веществ. Современные лаборатории оснащены многими компьютеризированными уста­новками, позволяющими проводить многофакторный комплекс­ный анализ практически всех материалов.

§ 4. Физические свойства

Параметры состояния

Истинная плотность р (г/см³, кг/м³) - масса единицы объема абсолютно плотного материала. Если масса материала т, а его объем в плотном состоянии V„, то

P = m /V_l, (1.1)

Относительная плотность с/ выражает плотность материала по отношению к плотности воды (это безразмерная величина).

За немногими исключениями (металлы, стекло, мономинера­лы) строительные материалы пористы. Объем V пористого мате­риала в естественном состоянии (т.е. вместе с заключенными в нем порами) слагается из объема твердого вещества V„ и объема пор V„.

v=v„ + v_n.

Средняя плотность (г/см³, кг/м³, в последующем - плотность) есть масса единицы объема материала в естественном состоянии (объем определяется вместе с порами):

Р» = (1.2)

Значения плотности данного материала в сухом и влажном состоянии связаны соотношением:

A* =P, JI⁺W_M). (1.3)

где W_u- количество воды в материале, доли от его массы.

Плотность пористых материалов всегда меньше их истинной плотности. Например, плотность легкого бетона - 500-1800 кг/м³, а его истинная плотность - 2600 кг/м³.

Плотность строительных материалов колеблется в очень ши­роких пределах: от 15 (пористая пластмасса - мипора) до 7850 кг/м³ (сталь).

Плотность и пористость распространенных строительных ма­териалов даны в табл. 1.1.

Насыпная плотность р_и - масса единицы объема рыхло насы­панных зернистых или волокнистых материалов (цемента, песка, гравия, щебня, гранулированной минеральной ваты и т.п.). На­пример. истинная плотность известняка - 2700 кг/м³, его плот­ность 2500 кг/м³, а насыпная плотность известнякового щебня - 1300 кг/м³. По этим данным можно вычислить пористость извест­няка и пустотность щебня, пользуясь приведенными ниже форму­лами.

Структурные характеристики

Строение пористого материала характеризуется общей, от­крытой и закрытой пористостью, распределением пор по их ра­диусам, средним радиусом пор и удельной внутренней поверхно­стью пор.

Пористость П есть степень заполнения объема материала порами:

n=v_r/v.

Пористость выражают в долях от объема материала, прини­маемого за 1, или в % от объема.

Экспериментальный (прямой) метод определения пористости основан на замещении порового пространства в материале сжи­женным гелием или другой средой.

Экспериментально-расчетный метод определения пористости использует найденные опытным путем значения плотности (%) высушенного материала

Л = (1-р„/р)100. (1.4)

Пористость строительных материалов колеблется в широких пределах: от 0 до 98% (табл. 1.1).

Коэффициент плотности - степень заполнения объема мате­риала твердым веществом:

Кпл = р„/р- (1.5)

В сумме Г1+К_пл = 1 (или 100 %), т.е. высушенный материал можно представить состоящим из твердого каркаса, обеспечи­вающего прочность, и воздушных пор.

Открытая пористость П₀ равна отношению суммарного объема всех пор, насыщающихся водой, к объему материала V:

^v Рн₂о

где т, и т, - масса образца соответственно в сухом и насыщенном водой состоянии.

Открытые поры материала сообщаются с окружающей сре­дой и могут сообщаться между собой, поэтому они заполняются водой при обычных условиях насыщения, например при погру­жении образцов материала в ванну с водой. Открытые поры уве­личивают проницаемость и водопоглощение материала и ухуд­шают его морозостойкость.

Закрытая пористость П, равна:

п_}- п - п_р.

Пористый материал обычно содержит и открытые, и закры­тые поры; увеличение закрытой пористости за счет открытой по­вышает его долговечность. Однако в звукопоглощающих мате­риалах и изделиях умышленно создается открытая пористость и перфорация, необходимые для поглощения звуковой энергии.

В современных поромерах измерение пористости автомати­зировано, и результат выдается в готовом виде в цифровой и гра­фической формах.

Все свойства материала определяются его составом и строе­нием и прежде всего величиной и характером пористости. Это видно из данных табл. 1.1, в которой попарно сопоставлены плотные и пористые материалы, имеющие в основном общий химический состав.

Гидрофизические свойства

Гигроскопичностью называют свойство капиллярно-порис­того материала поглощать водяной пар из влажного воздуха. Поглощение влаги из воздуха обусловлено полимолекулярной адсорбцией водяного пара на внутренней поверхности пор и ка­пиллярной конденсацией. Этот физико-химический процесс на­зывается сорбциейи является обратимым. Древесина, тепло­
изоляционные, стеновые и другие пористые материалы обладают развитой внутренней поверхностью пор и поэтому высокой сорб-

С повышением давления во­дяного пара (т.е. с увеличением относительной влажности возду­ха при постоянной температуре) возрастает сорбционная влаж­ность данного материала (рис. 1.5)

Кривая, выражающая зави­симость количества адсорбируе­мого газа от давления, после на- Рис. 1.5. Изотерма адсорбции сыщения внутренней поверхности (при Р> Р_А круто поднимается ^П0Р стремится к прямой, парал- вверх вследствие капиллярной лельной оси абсцисс (точка А).

конденсации) Вследствие процессов ад­

сорбции и капиллярной конден­сации водяного пара из атмосферы влажность пористых строи­тельных материалов даже после их длительной выдержки в воз­духе достаточно велика. Так, равновесная влажность воздушно- сухой древесины составляет 12-18%, стеновых материалов 5-7% по массе. Увлажнение сильно увеличивает теплопроводность теп­лоизоляции, поэтому стремятся предотвратить увлажнение, по­крывая плиты утеплителя гидроизоляционной пленкой.

Капиллярное всасывание воды пористым материалом проис­ходит, когда часть конструкции находится в воде. Так, грунтовые воды могут подниматься по капиллярам и увлажнять нижнюю часть стены здания. Чтобы не было сырости в помещении, уст­раивают гидроизоляционный слой, отделяющий фундаментную часть конструкции стены от ее наземной части.

Капиллярное всасывание характеризуется высотой поднятия воды в материале, количеством поглощенной воды и интенсивно­стью всасывания.

Высоту h поднятия жидкости в капилляре определяют по формуле:

h = cos в/(г pg), (1.7)

ционной способностью. I а Давление пара (газа) Р

где а- поверхностное натяжение; в- краевой угол смачивания; г - радиус капилляра; р- плотность жидкости; g - ускорение свобод­ного падения.

Поры в бетоне и других материалах имеют неправильную форму и изменяющееся поперечное сечение, поэтому приведенная формула годна лишь для качественного рассмотрения явления; высоту всасывания воды определяют, применяя метод " меченых атомов", либо по изменению электропроводности материала.

Объем воды, поглощенной материалом путем капиллярного всасывания за время I, в начальной стадии подчиняется парабо­лическому закону:

V- = I< t,

где К - константа всасывания.

Уменьшение интенсивности всасывания отражает улучшение структуры материала (например, бетона) и повышение его моро­зостойкости.

Водопоглощение пористых материалов (бетона, кирпича и др.) определяют по стандартной методике, выдерживая образцы в воде. Температура используемой воды должна быть 20±2°С. Во­допоглощение, определяемое погружением образцов материала в воду, характеризует в основном открытую пористость, так как вода не проникает в закрытые поры. К тому же при извлечении образцов из ванны вода частично вытекает из крупных пор, по­этому водопоглощение обычно меньше пористости. Например, пористость легкого бетона может быть 50-60 %, его водопогло­щение составляет 20-30 % объема.

Водопоглощение определяют по объему и массе,

Водопоглощение по объему W„ (%) - степень заполнения объема материала водой:

₌ (т_в-т_с) ⁰ V

где т„ - масса образца материала, насыщенного водой (г), т₍. - масса образца в сухом состоянии (г).

Водопоглощение по массе W_m (%) определяют по отношению к массе сухого материала:

(1.10)

Разделив почленно W„ на W_m, получим:

W„=W_md, (1.11)

причем объемная масса сухого материала выражается по отноше­нию к плотности воды (безразмерная величина).

Водопоглощение различных материалов колеблется в широ­ких пределах: гранита - 0, 02 - 0, 7 %, тяжелого бетона - 2-4 %, кирпича - 8-15 %, пористых теплоизоляционных материалов - 100 % и больше. Водопоглощение по массе высокопористых материа­лов может быть больше пористости, но водопоглощение по объ­ему никогда не может превышать пористость.

Водопоглощение используют для оценки структуры материа­ла, привлекая для этой цели коэффициент насыщения пор водой, равный отношению водопоглощения по объему к пористости:

K_H=W, /n. (1.12)

Коэффициент насыщения может изменяться от 0 (все поры в материале замкнутые) до 1 (все поры открытые), тогда W₀ = П. Уменьшение К„ (при той же пористости) свидетельствует о со­кращении открытой пористости, что обычно проявляется в по­вышении морозостойкости.

Водопоглощение отрицательно влияет на основные свойства материала, увеличивается плотность, материал набухает, его теп­лопроводность возрастает, а прочность и морозостойкость по­нижаются.

Коэффициент размягчения К_р - отношение прочности мате­риала, насыщенного водой R_B, к прочности сухого материала R_c:

K_P=Ri/R_c. (1.13)

Коэффициент размягчения характеризует водостойкость ма­териала, он изменяется от 0 (размокающие глины и др.) до 1 (ме­таллы и др.). Природные и искусственные каменные материалы не применяют в строительных конструкциях, находящихся в воде, если их коэффициент размягчения меньше 0, 8.

Водопроницаемость - это свойство материала пропускать воду под давлением.

Коэффициент фильтрации К_ф (м/ч) характеризует водопрони­цаемость материала

K₀=V_Ba/(S(p_l-p₂)t]_> (1.14)

где К_ф= V_B - количество воды (м³), проходящей через стенку пло­щадью S = 1 м², толщиной а == 1 м за время / = 1 ч при разности гидростатического давления на границах стенки р, - р₂ - I м вод. ст. Коэффициент фильтрации имеет размерность скорости.

Водонепроницаемость материала (бетона) характеризуется маркой, обозначающей одностороннее гидростатическое давле­ние, при котором бетонный образец-цилиндр не пропускает воду в условиях стандартного испытания. Между коэффициентом фильтрации и маркой по водонепроницаемости имеется опреде­ленное соотношение: чем ниже К_ф, тем выше марка по водоне­проницаемости.

Водопроницаемость не допускают при строительстве гидро­технических сооружений, резервуаров, коллекторов, стен подва­лов зданий. Стремятся применять достаточно плотные материалы с замкнутыми порами, устраивают гидроизоляционные слои, эк­раны.

Газо- и паропроницаемость. При возникновении у поверхно­стей ограждения разности давления газа происходит его переме­щение через поры и трещины материала. Поскольку материал имеет макро- и микропоры, перенос газа может происходить од­новременно вязкостным и молекулярным потоками.

Использование закона Дарси-Пуазейля* при небольших пере­падах давлений, когда можно пренебречь изменением плотности газа, приводит к упрощенной формуле для определения массы газа V_p (плотностью р), прошедшего через стенку площадью 5^[1] и толщиной а за время t при разности давлений на гранях стенки А_Р:

Vp = K_rS l Ар/а. (1.15)

Отсюда можно определить коэффициент газопроницаемости (г/мч-Па).

K_r = a Vp/StAp (1.16)

При определении коэффициента газопроницаемости объем проходящего газа приводит к нормальным условиям,

Стеновой материал должен обладать определенной прони­цаемостью. Тогда стена будет " дышать", т.е. через наружные сте­ны будет происходить естественная вентиляция, что особенно важно для жилых зданий, в которых отсутствует кондициониро­вание воздуха. Поэтому стены жилых зданий, больниц и т.п. не

отделывают материалами, задерживающими водяной пар. На­оборот, стены и покрытия влажных производственных помеще­ний необходимо защищать с внутренней стороны от проникнове­ния водяного пара. В зимнее время внутри теплых помещений (текстильных фабрик, коммунальных предприятий, коровников, свинарников и т.п.) в 1 м³ воздуха содержится водяного пара зна­чительно больше, чем снаружи, поэтому пар стремится пройти через стену или покрытие. Попадая в холодную часть огражде­ния, пар конденсируется, резко повышая влажность в этих местах. Создаются условия, способствующие быстрому разрушению ма­териала (легкого бетона, кирпича) наружной ограждающей кон­струкции при действии мороза.

Паронепроницаемые материалы должны располагаться с той стороны ограждения, с которой содержание водяного пара в воз­духе больше.

В ряде случаев необходима практически полная газонепрони­цаемость; это относится к емкостям для хранения газов, а также к специальным сооружениям, внутреннее пространство которых должно быть защищено от проникновения зараженного воздуха (например, газоубежища).