![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Сырьевые материалы, поступающие на переработку 5 страница
! щ Оценка технологических свойств производится условными мето-Щ'дами и приборами с указанием названия прибора, температурных жусловий испытания, скорости нагружения при испытании и др. На |" практике нередко ограничиваются также визуальными оценками Л технологических свойств. Однако при массовом производстве и при- Ш. менении материалов (бетонных смесей, асфальтобетонной массы,;; ■ полимерных композиций и др.) пользуются специальными прибо-: >: ': рами и методами испытаний с выражением технологических свойств. в виде числовых показателей. Таким образом, строительные материалы обладают многообразными свойствами. Но между свойствами каждого материала, особенно при оптимальной структуре, имеется не только различие, но и тесная взаимосвязь. Последняя характеризуется определенными закономерностями, что позволяет нередко оценивать заданный качественный показатель по другому или комплексу других свойств этого материала. На рис. 4.5 показана зависимость теплопроводности от средней плотности органических и неорганических материалов разной влажности, а на рис. 4.6 — зависимость предела прочности при сжатии от средней плотности известняков в сухом состоянии. При необходимости этим и другим аналогичным графическим зависимостям могут быть приданы математические выражения в виде эмпирических формул с определением по ним числовых значений свойств, если заданы или известны другие. 4.5. Определение качества материалов по свойствам Качество материала оценивают по совокупности показателей свойств, которые получены при испытаниях с помрщью, как правило, стандартных методик. Существуют стандарты, в которых для большинства материалов установлены рекомендуемые или обязательные методы испытаний. Имеются также стандарты на качественные характеристики каждого материала, выпускаемого в массовых количествах. В государственных общесоюзных стандартах (ГОСТах) приводятся все основные сведения для качественной характеристики материала и нередко сообщается классификация его по одному или нескольким признакам. Указываются конкретные числовые значения показателей свойств с маркировкой выпускаемой продукции, а также правила приемки и хранения материала. ГОСТ является обязательным документом. h 3* 67
Большинство строительных материалов, применяемых для несущих конструкций и работающих под влиянием статических или динамических нагрузок, маркируют в основном в зависимости от их прочностных показателей. Для некоторых материалов (теплоизоляционных, гидроизоляционных, акустических и др.) могут быть приняты при маркировке не прочностные, а иные свойства, например теплопроводность морозостойкость, водонепроницаемость, средняя плотность и т. п. При окончательном назначении материала для строительного объекта большую роль играет экономический показатель. При примерно одинаковом качестве стремятся выбирать материал самый дешевый и доступный по запасам в районе строительства, особенно если он местный. Однако материал принимается всегда с учетом еще и транспортных расходов, а также эксплуатационной стойкости (долговечности) его в конструкциях. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Какие основные свойства характеризуют качество материала и предопределяют область его применения? 2. Свойства материалов по отношению к действию воды. 3. Какие свойства называются механическими и как они разделяются? 4. Что называется теплопроводностью материала и как она оценивается в лабораторных условиях? 5. В чем заключается физический смысл модуля упругости? 6. Плотность и пористость, как они оцениваются у материалов? 7. На какие группы делятся строительные материалы по огнестойкости? Приведите примеры по каждой группе, 8. Какие свойства у материалов можно отнести к химическим? 9. Какие документы помогают оценивать качество материалов по их показателям свойств? Требуется ли учитывать все свойства? 10. Перечислите основные физические свойства материалов. И. Существует ли взаимосвязь между свойствами и когда она проявляется наиболее ярко? Глава 5 Некоторые общие закономерности и принципы в науке о строительных материалах 5.1. Закономерные взаимосвязи структур и свойств материалов Под влиянием бесконечного многообразия комбинаций микрочастиц в пространстве, или комплексов этих комбинаций, слагающих микрочастицы, возникают тела, которые между собой отлича-
Об отличительных признаках (критериях) оптимальности структур отмечалось выше (см. гл. 3). Здесь же следует обратить внимание, что при оптимизации микроструктуры, например кристаллической решетки, все микрочастицы (атомы, ионы, молекулы) не только равномерно распределены в пространстве, но и размешаются друг от друга на расстояниях, при которых силы притяжения н силы отталкивания сравнительно полно между собой уравновешиваются. Иными словами, в реальных телах (материалах) при оптимальной организации их микроструктуры равнодействующая сил притяжения — ионных, ковалентных, молекулярных и др., выступающих, как правило, в некоторой совокупности (хотя может превалировать одна из них), и сил отталкивания равна нулю, а энергия принимает минимальное значение (рис. 5.2). Вследствие этого система, т. е. материал, обладает относительно устойчивым равновесным состоянием, что, в свою очередь, положительно влия-
Рис. 5.2. Общий характер сил Р н энергии U взаимодействия в зависимости от расстояния между частицами: / — силы притяжения возрастают с уменьшен нем расстояния г; 2 ~ силы отталкивания быстро возрастают с уменьшением г; 3 — результирующая сила. При г=г0 сила P—Q, а энергия взаимодействия У„-ил1п Рис. 5.3. Графическое выражение закона створа: / — средняя плотность; 2 — экономическая эффективность. 3 — пределы прочности; 4 — морозостойкость; 5 — внутреннее сцепление; 6 — упру го эластические свойства; 7 — ползучесть; 8 — подвижность; 9 — коэффициент выхода смеси т. -и взаимная обусловленность явлений и процессов. Законы опти-ш^альных структур выражают внутреннюю связь и взаимообуслов-Кдаенность свойств и структурных параметров материала. Они рас-Шпространяются на разнородные материалы и, подобно другим за- Щ конам, имеют объективный характер. К Закон створа устанавливает, что оптимальной структуре соот-Ё/ветствует комплекс экстремальных значений свойств. На рис. 5.3 Ц закон створа представлен графически в прямоугольной плоскост-|: ной системе координат. Еще полнее он может быть изображен в Рис. 5.4. График зависимости прочности материала от фазового отношения вяжущего вещества и содержания заполнителя: а —в плоскостной системе координат; б —в пространственной системе координат (р< пространственной системе координат с отложением на оси абсцисс одной из структурных характеристик, например содержания среды, фазового отношения, толщины пленки среды в свежеизготовлен-Ном материале, величины поверхности раздела фаз и др., на оси ординат — одного или нескольких значений показателей свойств, на оси аппликат — содержания вяжущего или заполнителя. Получаемая по экспериментальным данным графическая зависимость в системе координат на плоскости или в пространстве для числовых значений каждого свойства, непосредственно связанного со структурой, имеет характер экстремальной кривой. В ней имеются две ниспадающие или возрастающие ветви с максимумом или минимумом между ними (рис. 5.4). Все экстремумы на этих кривых практически размещаются на одной прямой, т. е. максимумы и минимумы экстремальных кривых размещаются в общем «створе». Каждая точка экстремума данного свойства отражает такую структуру, при которой она удовлетворяет всем необходимым условиям оптимальности: равномерное расположение частиц, непрерывность среды и минимум фазового отношения (с/ф-ипт), Другие точки правой и левой ветвей экстремальной кривой не соответ- ствуют всем трем условиям (в совокупности) оптимальности структуры. Из графика следует (см. рис. 5.4), что неоптимальных структур гораздо больше, чем оптимальных, поскольку на каждой экстремальной кривой имеется только один экстремум, соответствующий оптимальной структуре, тогда как на ветвях этой кривой справа и слева от экстремума имеется бесконечное множество точек и каждая не соответствует оптимальной структуре. Вместе с тем на линии MN, соединяющей вершины отдельных экстремальных кривых, имеется непрерывная цепь или система оптимальных структур и им соответствующих «створов» с определенными комплексами экстремумов свойств. Для конкретных строительных целей выбирается тот «створ», который удовлетворяет заданным показателям качества материала по техническому проекту здания или сооружения или ГОСТ. Этому выбору «створа» помогает общий метод проектирования оптимальных составов ИСК, который кратко изложен ниже (см. гл. 5). У природных материалов, например горных пород (камня), реже встречаются непрерывные системы оптимальных структур, чем у искусственных конгломератов. Для них более частым случаем является формирование отдельной оптимальной структуры какого-либо камня. Однако для горных пород (известняков, песчаников и др.) были вскрыты общие закономерности изменения свойств, аналогичные тем, которые отмечались у ИСК: по мере увеличения пористости, как структурного показателя, снижались значения упругих свойств, прочности, средней плотности и других свойств. Ниже показано (см. гл. 6 и 7), что закон створа распространяется не только на искусственные, но и на природные материалы (горные породы, древесину), причем именно в природных условиях содержится его исходная и главная сущность. Обратное действие закона створа заключается в том, что если материал обладает одним или большим количеством экстремальных значений свойств, непосредственно отражающих структуру, то он, следовательно, обладает и оптимальной структурой. В оценке оптимальности структуры можно нередко ориентироваться по одному экстремальному показателю свойств, например прочности, изучая другие только по мере необходимости. Закон створа является следствием комплексного воздействия физических, физико-химических и технологических факторов и явлений. Физическая природа явлений, обусловливающих действие закона створа, состоит в том, что при оптимальных структурах наступает уравновешивание сил притяжения и отталкивания между структурными микрочастицами. Вследствие этого значения свободной энергии Гиббса и свободной внутренней энергии Гельмгольца становятся минимальными. И тогда в данных условиях возникает равновесная система устойчивая или иногда может быть и неустойчивая, но стабильная в течение длительного времени. Чем пол- 72 К; -нее в технологический (или генетический у горных пород) период К;.'была израсходована свободная энергия с переходом ее в энергию «■ mi связи между микрочастицами, тем ярче выступают экстремумы Ж свойств как функции энергии. Положение экстремума обусловлено щ также минимумом микропор или других микродефектов в струк- Ш тУРе- ж Физико-химическая природа закона створа связана с поверх- Щ 'постной энергией, возникающей в результате дробления и измель- генетическая природа его (у естественных материалов) заключается в принудительном создании (или естественным путем в природных условиях) такого формирования структуры, при котором обеспечивается минимальное содержание макродефектов в структуре, минимум капиллярных пор, способных удерживать, например, ' влагу, оптимальная плотность структуры. Как отмечено выше, разработан специальный метод проектирования оптимальных составов и структур материалов, при которых обеспечивается заранее заданный комплекс экстремальных значений требуемых свойств. Реализация запроектированного состава в технологическом процессе позволяет получать материал, оптимальный по структуре, наилучший по заданным показателям технических свойств, наиболее выгодный по экономической эффективности. Последнее следует из того, что наивысшая экономическая эффективность входит в створ наилучших показателей качества материала, становясь при оптимальной структуре как бы материализованной оценкой экономической эффективности. Применительно к специфике строительных материалов закон створа выражает соответствие оптимальной структуры комплексу наиболее благоприятных показателей строительных и эксплуатационных свойств. Закон позволяет создавать новые материалы со строго заданным набором и уровнем показателей свойств, улучшать качество традиционных, а также решать многие другие практические задачи. Закон прочности оптимальных структур. Другим законом оптимальных структур является закон прочности и некоторых других свойств, непосредственно связанных со структурой материала. Он А.; устанавливает, что произведение числовых показателей свойств конгломератов на степенную функцию фазового отношения его вяжущего вещества есть величина постоянная. Здесь, как и выше, под фазовым отношением понимается величина отношения массы среды к массе твердой фазы в свежеизготовленном материале. Аналогично формулируется общий закон прочности оптимальных структур: произведение прочности (в любых показателях) конгломерата оптимальной структуры на фазовое отношение его вяжущего вещества в некоторой степени п есть величина постоянная
=const. (5.1) Непосредственно связана с этой закономерностью формула прочности конгломератов оптимальной структуры: где х — отношение толщин пленок среды в ИСК и вяжущем оптимальных структур. По своей физической сущности формула и закон прочности отражают максимальные величины сил сцепления микро-и макрочастиц при минимальных расстояниях между ними, минимальную дефектность и наибольшую однородность. С учетом формулы Гриф-фитса для хрупких тел и формулы прочности конгломерата оптимальной структуры последнюю формулу можно выразить в следующем виде: /? „«= — В этих формулах: Я*ВЯж— прочность вяжущего вещества оптимальной структуры, получаемая при испытании в одинаковых условиях с конгломератом; /к — некоторая суммарная величина дефектов, способствующих концентрации местных напряжений, появлению, росту и ускорению роста трещин до критических размеров; она входит в знаменатель в (5.3), быстро снижая прочность по мере удаления структуры от оптимальной; k — поправочный коэффициент перехода от хрупкого разрушения к так называемому вязкому; общий знаменатель в формуле выражает произведение двух степенных отношений: толщин (6, 6*) пленок среды соответственно в вяжущем веществе ИСК и в вяжущем веществе оптимальной структуры, и межатомных (межмолекулярных) расстояний (г, г0) в микроструктуре вяжущего вещества соответственно в момент разрушения и при уравновешенности сил притяжения и отталкивания, т. е. когда их равнодействующая равна нулю; G — удельная свободная поверхностная энергия; Е — модуль Юнга; п и т — по- Ецазатели степени, зависящие соответственно от плотности упаков-|; |ЕИ макрочастиц и компактности укладки микрочастиц (рис. 5.5). ТЩ Эта общая формула прочности применима как при действии ггатическрй нагрузки, так и вибрационной, при которой определяется усталостная прочность ИСК- Логическим следствием из формулы является возможность направленного управления прочностью. Видно, чтобы повысить прочность ИСК необходимо с помо-1ью определенных мер повлиять на увеличение прочности
|