Основы строения и свойств материалов

1. Физические свойства.

Истинная плотность (г/см³, кг/м³) – масса единицы объема абсолютно плотного материала.

r = m/V.

m – масса материала

V – объем в плотном состоянии

Средняя плотность (г/см³, кг/м³) – масса единицы объема материала в естественном состоянии (объем определяется вместе с порами).

r_m = m/V_e..

m – масса материала

V_e – объем в естественном состоянии

Насыпная плотность – масса единицы объема в насыпном состоянии.

Пористость П есть степень заполнения объема материала порами:

П = V_п / V _е или V _п – объем пор

V_е – объем в естественном состоянии

Гигроскопичность – способность материалов поглощать влагу из воздуха.

Влажность материала определяется содержанием влаги, отнесенной к массе материала в сухом состоянии.

Водопоглащение – способность материала впитывать воду.

Различают объемное водопоглащение (W_v) и водопоглащение по массе (W_m).

W_v = [(m ₁ - m)/ V ]x100% и

W_m = [(m ₁ - m)/ m ]x100%

m ₁ – масса образца, насыщенного водой, г;

m – масса сухого образца, г;

V – объем образца в естественном состоянии, см³.

Отношение между водопоглащением по массе и объему численно равно средней плотности материала, т.е.

W_v / W_m = [(m ₁ - m)/ V ]/[(m ₁ - m)/ m ] = m / V _e = r_m

Из этой формулы перехода можно вывести формулу перехода от одного вида водопоглащения к другому:

W_v = W_mr_m

Водостойкость – способность материала сохранить свою прочность после насыщения водой. Она характеризуется коэффициентом размягчения, который определяется как отношение предела прочности материала (при сжатии) в насыщенном состоянии к пределу прочности в сухом состоянии:

К = R _нас/ R _сух.

Материалы с коэффициентом размягчения не менее 0, 8 относят к водостойким.

2. Механические свойства.

Прочность – свойства материала сопротивляться разрушению под действием напряжений, возникающих от нагрузки или других факторов. Прочность материала характеризуется пределом прочности при сжатии, изгибе и растяжении.

R _сж(R _раст) = Р/F,

где Р – разрушающая нагрузки, Н;

F – площадь поперечного сечения, м²;

Предел прочности при изгибе (R _изг) при одном сосредоточенном грузе и образце – балке прямоугольного сечения определяется по формуле:

R _изг = 3 РL /2 bh ²

При двух равных грузах, расположенных симметрично оси балки:

R _изг = Р (L - a)/ bh ²

где Р – разрушающая нагрузка, Н;

L – пролет между опорами, м;

a – расстояние между грузами, м;

b – ширина оболочки, м;

h – высота оболочки, м.

Пример решения задачи.

1. Образец камня в виде куба со стороной 5 см имел массу в сухом состоянии 240 г. После насыщения его водой масса составила 248 г. Определить среднюю плотность и водопоглощение.

Решение:

объем образца V = 5³ = 125 см³

средняя плотность m = 240: 125 = 1, 918 г/см³

Водопоглащение по массе W_m = [(248-240): 240]х100 = 3, 31%

Водопоглащение по объему W_о = [(248-240): 125]х100 = 6, 4%

2. Образец бетона разрушился при испытании на сжатии при показании манометра 30 МПа. Определить предел прочности при сжатии, если известно, что площадь образца в 2 раза меньше площади поршня.

Решение:

Усилие, передаваемое поршнем составит Р = R_n × F = 30 F

Предел прочности образца

R _сж = Р / F _обр = 30 F /0, 5 F = 60 МПа

3. Минеральные вяжущие вещества.

Минеральными вяжущими веществами называют искусственно получаемые порошкообразные материалы, которые при затворении водой образуют пластичное тесто, способное в результате физико-химических процессов затвердевать и переходить в камневидное состояние.

Минеральные вещества в зависимости от способности затвердевать в определенной среде и сохранять прочность во времени делятся на воздушные и гидравлические. Воздушные вяжущие – вещества, которые способны твердеть только на воздухе. К воздушным вяжущим относятся воздушная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие, жидкое стекло и др. Гидравлические вяжущие – вещества, которые способны твердеть на воздухе и воде. К гидравлическим относятся гидравлическая известь, романцемент, портландцемент и его разновидности.

3.1. Строительной известью называют продукт обжига (до удаления углекислоты) известняка, ракушечника, мела, доломитизированного известняка и т.д.

CaCO₃ + 177, 7 кДж = CaO + CO₂ ­

В результате обжига получают продукт в виде кусков белого цвета, называемый комовой известью (кипельной).

В зависимости от способа измельчения комовой извести различают негашеную молотую и гашеную (гидратную).

Гашение извести происходит по следующей реакции:

CaO + H₂O = Ca(OH)₂ + 65, 2 кДж

Процесс твердения извести включает несколько этапов. В результате испарения воды частицы Ca(OH)₂ сближаются между собой, затем образуют прочные кристалличесие сростки, кроме того, происходит взаимодействие гидрооксида кальция с углекислым газом воздуха.

Ca(OH)₂ + CO₂ + n H₂O = CaCO₃ + (n + 1) H₂O

3.2. Гипсовыми вяжущими веществами называют материалы, состоящие из полуводного гипса или ангидрита и получаемые тепловой обработкой двуводного гипса (CaSO₄ x 2 H₂O), природного ангидрита и некоторых отходов промышленности.

Гипсовые вещества в зависимости от температуры обработки разделяют на две группы: низкообжиговые (строительный и высокопрочный гипс) и высокообжиговые (ангидритовые). Первые получают тепловой обработкой при низких температурах (110° – 180°С)

CaSO₄ × 2 H₂O = CaSO₄ × 0, 5 H₂O + 1, 5H₂O

Вторые – обжигают при высоких температурах (600° - 900°С)

Процесс твердения гипса происходит по реакции:

CaSO₄ × 0, 5 H₂O + 1, 5 Н₂О = CaSO₄ × 2 H₂O

По прочности при сжатии установлено 12 марок гипса: Г-2, Г-3, Г-5, Г-6, Г-10,

Г-7, Г-13, Г-16, Г-19, Г-22, Г-25.

Высокопрочным гипсом называют вяжущее, состоящее из полуводного сульфата кальция, получаемое термической обработкой двуводного гипса в автоклаве под давлением пара.

Он обладает меньшей водопотребностью, что позволяет получить гипсовые изделия с большой плотностью и прочностью.

3.3. Магнезиальные вяжущие вещества представляют собой тонкомолотые порошки, содержащие оксид магния и твердеющие при затворении водными растворами хлористого или сернокислого магния. Они делятся на два вида: каустический магензий (MgCO₃) и каустический доломит (CaCO₃ ∙ MgCO₃). Магнезиальные вяжущие обладают способностью прочно сцепляться с древесными опилками, стружками и другими органическими заполнителями.

Эти вяжущие применяются для изготовления теплоизоляционных материалов, устройства теплых и износостойких ксилолитовых полов и плиток.

3.4. Жидкое стекло представляет собой натриевый (Na₂О · SiO₂) или калиевый силикат (K₂O · SiO₂) желтого цвета, который получают плавлением в печах при 1300˚ - 1400˚ С измельченного чистого кварцевого песка с содой (Na₂CO₃) или поташа (K₂ CO₃). Жидкое стекло применяется для получения силикатных огнезащитных красок, предохранения естественных каменных материалов от выветривания, уплотнения грунтов и получения кислотоупорного цемента.

Кислотоупорный цемент – тонкоизмельченная смесь кварцевого песка и кремнефтористого натрия, затворенная жидким стеклом.

3.5. Гидравлическая известь – продукт умеренного обжига мергелистых известняков, содержащих 6-20% глинистых и тонкодисперсных песчаных примесей.

Гидравлическую известь применяют для приготовления кладочных и штукатурных растворов.

3.6. Портландцементом называется гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением портландцементного клинкера с гипсом и добавками. Портландцемент получают двумя способами: мокрым и сухим. В результате обжига (t = 1450˚ С) смеси глины и извести получается клинкер, который состоит из основных клинкерных минералов:

трехкальциевый силикат (3CaO · SiO₂)

двухкальциевый силикат (2CaO · SiO₂)

трехкальциевый алюминат (3CaO · Al₂O₃)

четырехкальцыевый алюмоферит (4CaO · Al₂O₃ · Fe₂O₃)

Взаимодействие портландцемента с водой приводит к образованию новых гидратных веществ, которые плохо растворяются в воде. Прочность цементного камня характеризуется маркой цемента. Марку цемента устанавливают по пределу прочности при изгибе образцов призм размером 40х40х160 мм и при сжатии их половинок, изготовленных из цементно-песчаного раствора 1: 3 (по массе) на стандартном Вольском песке.

Предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут. называют активностью цемента. Портландцементы разделяют на марки 400, 500, 550 и 600.

Примеры решения задач.

1. Определить количество негашеной (комовой) извести, полученной из 10т. чистого известняка с влажностью 10%.

Решение:

При нагревании известняка вода в количестве 10% должна испариться, после чего сухого известняка останется 10000 – 1000 = 9000 кг. Исходя из химической формулы известняка и реакции, происходящей при обжиге, можно определить количество негашеной извести:

CaCO₃ = CaO + CO₂

100 = 56 + 44

9000 х (56/100) = 5040 кг

2. Определить пористость цементного камня, если В/Ц = 0, 4. Для прохождения реакции при твердении цемента требуется 18% воды. Истинная плотность цемента – 3, 1г/см³.

Абсолютный объем, занимаемый цементным тестом:

V _т = 1/3, 1 + 0, 4 = 0, 72

Абсолютный объем, занимаемые цементным камнем:

V _к = 1/3, 1 + 0, 18 = 0, 5

Относительная плотность цементного камня:

V _к / V _т = 0, 5/0, 72 = 0, 69

Пористость:

1 – 0, 69 = 0, 31

4. Керамические материалы.

Керамическими называют материалы, изготовленные из глин с добавлением других материалов путем формирования, сушки и последующего обжига.

Сырье, используемое для производства керамики, подразделяют на пластичные: глины и каолины и непластичные: отощающие и выгорающие добавки и плавки.

По огнеупорности глины подразделяются на огнеупорные, тугоплавкие и легко-плавкие с огнеупорностью соответственно выше 1580º С, в пределах 1580º -1350º С и ниже 1350º С.

При изготовлении керамических изделий для уменьшения пластичности, воздушной и огневой усадки в состав керамических масс вводят отощающие материалы, имеющие небольшую усадку в процессе сушки и обжига.

К отощающим материалам относят кварцевой песок, пылевидный кварц, кремень, шамот, глины, бой керамических изделий и т.д.

В глиняную массу при производстве керамических изделий вводят плавни, способные снижать температуру ее спекания и огнеупорность.

К числу наиболее применяемых плавней относят – полевые шпаты, сиениты, доломит, магнезит и мел.

Пример решения задач.

1. Какое количество обыкновенного красного кирпича можно приготовить из 5 т. глины? Влажность глины 10%, потери при прокаливании 8% от массы сухой глины. Кирпич должен быть со средней плотностью 1750 кг/м³.

Решение:

Масса глины после обжига: 5000: 1, 1: 1, 08 = 4209 кг

Объем 1000 шт кирпича: 1000 х 0, 25 х 0, 12 х 0, 065 = 1, 95 м³

Масса 1000 шт: 1, 95 х 1750 = 3412 кг

Из 4209 кг обожженной глины можно получить кирпичей (4209/3412) х 1000 = 1230 шт.

5. Искусственные каменные необожженные материалы.

Искусственные каменные материалы получают в результате формирования и твердения растворных или бетонных смесей, приготовленных на основе извести, гипса, магнезиальных вяжущих веществ и портландцемента.

Для получения искусственных материалов в качестве заполнителей применяют кварцевой песок, шлаки, золы, древесные опилки, волокнистые материалы, в частности асбестовое волокно, древесные стружки и др.

Пример решения задач.

1. Подсчитать расход материала на 1 м³ известково-песчаного раствора состава 1: 5 по объему при условии, что известковое тесто и готовый раствор пустот не имеют, а песок имеет пустот 38%

Решение:

Абсолютный объем раствора 1: 5 составляет: 1 + 5(1 – 0, 38) = 4, 1

Коэффициент выхода раствора b = 4, 1/(1+5) = 0, 68.

Расход известкового теста на 1 м³ раствора 1/0, 68(1+5) = 0, 24 м³

Расход песка 5 х 0, 24 = 1, 2 м³

6. Лесные материалы.

Древесина как анизотропный материал обладает разнообразными физико-механическими свойствам, которые следует учитывать при использовании древесных пород в конструкциях зданий и сооружений.

Свойства древесины в значительной степени зависят от влажности. В зависимости от содержания влаги, различают мокрую древесину с влажностью более 100%, свежесрубленную – 35-40%, воздушно-сухую – 15-20%, комнатно-сухую –

8-12% и абсолютно сухую древесину.

Условно за стандартную влажность, на которую пересчитывают все показатели свойств древесины, принята влажность 12%.

Плотность древесины увеличивается с повышением влажности. Обычно плотность древесины приводят к плотности при влажности 12% по формуле

r ¹² = r ^W[1+0, 01(1- K ₀)(12- W)]

где r ¹² – плотность при влажности 12%;

r ^W – плотность при той влажности, которую он имеет в момент определения;

K ₀ – коэффициент объемной усушки (колеблется в пределах 0, 2 –0, 75);

W - влажность древесины.

Прочность древесины также зависит от влажности, с повышением влажности она уменьшается. Предел прочности R_w, полученный при влажности древесины в момент испытания, можно пересчитать на 12% влажность по формуле

R ₁₂ = R_w [1+ a (W -12)]

где R ₁₂ – предел прочности при влажности 12%

R_w – предел прочности при влажности W

а – пересчетный коэффициент (при сжатии и изгибе а=0, 04, при скалывании а=0, 03).

Пример решения задач.

1. Образец дуба с поперечными разрезами 2х2 см, высотой 3 см и влажностью 9% разрушился при испытании на сжатие при Р=32600Н. Определить предел прочности при влажности 12%.

Решение:

Определяем прочность при влажности 9%

R = P/F = 32600/(0, 02x0, 02) = 81500000 Па = 81, 5 МПа

Прочность при 12% влажности определяется по формуле

R ¹² = R [1+(W -12)] = 81, 5[1+0, 04· (-3)] = 71, 6 МПа

7. Органические вяжущие вещества.

Органические вяжущие вещества представляют собой природные или искусственные. Органические вяжущие вещества разделяют на битумы и дегти. На основе битумов и дегтей изготовляют другие вяжущие вещества и материалы в виде эмульсий и паст, асфальтовых лаков, асфальтовых растворов и бетонов. На основе битумов изготовляют различные рулонные материалы.

Пример решения задач.

1. Определить марку битума. Известно, что глубина проникновения иглы 4 мм, растяжимость 40 см, температура размягчения 51°С.

Решение:

По таблице физико-механических свойств битума определяем:

битум марки БН-50/50

8. Состав и свойства бетона.

Состав бетона принято выражать соотношением между массой или объемом цемента, песка, щебня или гравия и воды в виде 1: х: у и В/Ц

Здесь масса или объем цемента принята за единицу, х и у – соответственно число частей мелкого и крупного заполнителя на 1 часть цемента; В/Ц – водоцементное отношение. Различают номинальный (расчетный) и полевой составы бетона.

Состав бетона, установленный в лабораторных условиях на сухих заполнителях называют номинальным; на строительных площадках, заводах заполнители имеют естественную влажность, поэтому номинальных состав пересчитывается на так называемый полевой состав. Прочность бетона в зависимости от В/Ц отношения выражается уравнением

R _б = AR _ц(Ц / В ±0, 5)

где А – коэффициент качества заполнителя

R _ц – активность цемента, МПа (КГС/см²)

Прочность бетона изменяется во времени. Нарастание прочности во времени приближенно может быть выражено логарифмической зависимостью

R_n = R ₂₈(lgn / lg 28)

где R_n и R ₂₈ – прочность

n – возраст бетона

Пример решения задач.

1. На 1м³ бетона расходуется цемента Ц-300, песка П-600, гравия Г-1200 и воды В-200л. Выразить состав бетона в виде соотношения масс 1: х: у: и В/Ц

Решение:

Х = П/Ц = 600/300 = 2

У = Г/Ц = 1200/300 = 4

В/Ц = 200/300 = 0, 67

2. Подсчитать расход материалов на 1 м³ уплотненной смеси, если на опытный замес было затрачено 2, 5 кг цемента, 1 л воды. 3 кг песка и 5 кг щебня, а средняя плотность составила 2300 кг/м³

Решение:

Суммарная масса всех материалов на опытный замес: 2, 5+1+3+5=11, 5 кг

Тогда доля цемента составит 2, 5/11, 5 = 0, 217; воды 1/11, 5 = 0, 087;

песка 5/11, 5 = 0, 261; щебня 3/11, 5 = 0, 435

Расход компонентов на 1 м³ уплотненной бетонной смеси: цемента 0, 217 х 2300 = 500 кг; воды 0, 087 х 2300 = 200 л; песка 0, 261 х 2300 = 600 кг; щебня 0, 435 х 2300 = 990 кг.

9. Кристаллизация и фазовый состав железоуглеродистых сплавов.

В сплавах в зависимости от состояния различают следующие фазы: жидкие и твердые растворы, химические и промежуточные соединения.

Фазой называется физически и химически однородная часть системы, имеющая одинаковый состав, строение, одно и то же агрегатное состояние и отделенная от остальных частей системы поверхностью раздела.

Поэтому жидкий металл представляет собой однородную систему, а смесь двух различных кристаллов или временное существование жидкого расплава и кристаллов соответственно двух – и трехфазные системы. Вещества, образующие сплавы называются компоненты. Процесс кристаллизации металлических сплавов описывают диаграммами состояния или фазового равновесия, получаемыми на основе термического анализа (диаграмма состояния Fe-Fe₃C).

В зависимости от процентного содержания углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие наименования:

- техническое железо С £ 0, 02 %

- доэвтектойдные стали С = 0, 02 - 0, 8%

- эвтектойдные стали С = 0, 8 %

- заэвтектойдные стали С =0, 8 – 2, 14%

- доэвтектические чугуны С + 2, 14 – 4, 5%

- эвтектика – ледебурит С = 4, 3%

- заэвтектический чугун С = 4, 3% - 6, 67%

Пример решения задач.

1. Построить кривую охлаждения сплава (железо-карбид железа) в интервале температуры от 0⁰ до 1600⁰С содержащего углерода 2, 14%.

Решение:

На диаграмме фазового состояния Fe-Fe₃C проводим прямую из точки горизонтальной прямой с содержанием С = 2, 14%. Линия пересекает).

Тº С

1500

Ж

1200 Ж + А

900 А + Ц

600 Ц + П

300

t, время

Рис. 1. Кривая охлаждения сплава С – 2, 14%