Основы строительного материаловедения

Строительные материалы характеризуются химическим, минеральным и фазовым составами.

Химический состав строительных материаловопределяет деление их на органические (древесные, битум, пластмассы и т.п.) и минеральные (бетон, цемент, кирпич, природный камень и т.п.) и металлы (сталь, чугун, алюминий). Химический состав некоторых материалов (неорганические вяжущие, каменные материалы) часто выражают количеством содержащихся в них оксидов. Оксиды, химически связанные между собой. Минеральный составпоказывает, какие минералы и в каком количестве содержатся в материале. Этот состав непосредственно определяет свойства материала.

Фазовый состав (по агрегатному состоянию) пористого материала характеризует объемное соотношение массы твердого вещества к объему пор, заполненных воздухом (газовой фазой) или водой (жидкой фазой)

Под структурой или строением материалов как физических тел понимают пространственное расположение частиц разной степени дисперсности. Кроме того, в понятие структуры входит расположение пор, капилляров, поверхностей раздела фаз, микротрещин и других элементов.

Макроструктура материала – строение, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении. Различают следующие типы макроструктуры.

Плотную однородную структуру имеют металлы, стекло и т.п.

Конгломератное строение характерно для большинства природных и искусственных каменных материалов (различных видов бетона, растворов, силикатного кирпича, некоторых видов керамических материалов), когда отдельные зерна заполнителя прочно соединены между собой прослойками вяжущего вещества. Порфировой принято называть структуру, в которой зерна заполнителя разделены толстыми прослойками вяжущего, и для них характерно «плавающее» расположение в материале. Если зерна или частицы контактируют через тонкие прослойки вяжущего при сохранении ее непрерывности и сплошности, то такую структуру называют контактной. При непосредственном контакте дискретных элементов, когда вяжущего вещества недостаточно для сохранения своей непрерывности и сплошности, говорят о законтактной структуре.

Большинство строительных материалов имеют в своей структуре поры. Мелкопористая структура характерна для керамических фаянсовых материалов, пеностекла, а также некоторых бетонов с поризованным цементным камнем. Ячеистая структура характеризуется наличием макропор в материале, свойственна газо- и пенобетонам, ячеистым пластмассам.

Внутреннее строение веществ изучают методами рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии и т. д. Под внутренним строением вещества подразумеваются расположение, взаимоотношение и взаимосвязь различных по размеру атомов, ионов и молекул, из совокупности которых слагаются различные вещества в твердом, жидком и газообразном состояниях. Атомно-молекулярное строение определяет микроскопические особенности материала.

Рисунок 1.1. Силы капиллярного сцепления: а – между двумя шарообразными частицами; б – шарообразной частицей и плоскостью

а б

в г

Рисунок 1.2. Капиллярные структуры в дисперсных системах: а – трехфазная гранула; б – трехфазная глобула; в – ячеисто-глобулярная структура; г – двухфазная гранула

Если для дисперсных систем и материалов определяющими являются контактные взаимодействия, характер и величина которых обусловливают соответствующий тип структуры (эффект поверхностей), то для грубозернистых заполнителей наибольшее значение имеют закономерности укладки в зависимости от размеров и формы зерен (эффект масс). Заполнители подбирают из условия обеспечения наименьшего объема межзерновых пустот, что позволяет экономить на расходе вяжущего вещества. С этой целью заполнители предварительно разделяют на фракции по размерам с тем, чтобы затем пробным подбором или расчетом найти содержание каждой фракции для получения их плотной смеси.

Свойства материалов связаны с особенностями их строения и свойствами тех веществ, из которых данный материал построен. В свою очередь строение материала зависит: для природных материалов – от их происхождения и условий образования, для искусственных – от технологии производства и обработки материала.

Основные свойства материалов

Классификация основных свойств.В зависимости от характера работы материала в конструкциях различают: а) физические свойства (удельные и структурные характеристики, гидрофизические, теплофизические, акустические, электрические); б) механические свойства (деформативные и прочностные); в) химические свойства; г) биологические свойства; д) интегральные свойства – долговечность и надежность. Свойства материала всегда оценивают количественными показателями, которые устанавливают путем испытаний.

Физические свойства материалов

Удельные и структурные характеристики– это истинная, средняя и насыпная плотность материала, а также различные виды пористости.

Истинная плотность r (г/см³) – масса т единицы объема V_аматериала в абсолютно плотном состоянии без пор и пустот:

(1.1)

Средняя плотность r_о (кг/м³) – масса т единицы объема V_о материала в естественном состоянии вместе с порами и пустотами:

(1.2)

Истинная плотность в отличие от средней плотности является постоянной характеристикой, которая не может быть изменена, как средняя плотность материала, до изменения его химического состава или молекулярной структуры. Большинство строительных материалов имеют поры, поэтому у них истинная плотность всегда больше средней. Лишь у плотных материалов (стали, стекла, битума) истинная и средняя плотность равны, так как объемы пор очень малы.

Часто среднюю плотность материала относят к плотности воды, при
4 °С равной 1 г/см³, и тогда определяемая плотность становится безразмерной величиной, которую называют относительной плотностью.

Насыпная плотность r_н (кг/м³) – отношение массы материала в насыпном состоянии к его объему. Насыпную плотность определяют для сыпучих материалов (песка, щебня, цемента и т. п.). В ее значении отражается влияние не только пор в каждом зерне, но и межзерновых пустот в рыхлонасыпанном объеме материала.

Значения средней и насыпной плотности материалов являются необходимыми характеристиками при расчете прочности сооружения с учетом собственной массы, для определения объемов, способа и стоимости перевозки материалов и т. д.

Во многом свойства материала определяют количество, размер и характер пор. Пористость – относительная величина (обычно в процентах), показывающая, какая часть объема материала занята внутренними порами или пустотами (пустотность). Поры представляют собой ячейки, не заполненные твердым веществом (по величине до нескольких миллиметров). Более крупные поры, например, между зернами сыпучих материалов, или полости, имеющиеся в некоторых изделиях (пустотелый кирпич, панели из железобетона), называют пустотами.

Различают общую, открытую и закрытую пористость. Общая пористость вычисляется по формуле

(1.3)

Открытая пористость П_оопределяется по водопоглощению (см. ниже). Закрытая пористость П_з равна разности П и П_о.

Общая пористость колеблется в широких пределах: от 0,2-0,8 % – у гранита и мрамора, до 75-85 % – у теплоизоляционного кирпича и ячеистого бетона и свыше 90 % – у пенопластов и минеральной ваты.

Гидрофизическиесвойства – это свойства строительных материаловпо отношению к действию воды (гигроскопичность, влажность, водопоглощение, влажностные деформации, водопроницаемость, водостойкость, а также морозостойкость – при одновременном действии воды и мороза).

Гигроскопичностью называют свойство пористого материала поглощать водяной пар из воздуха.

Влажность характеризует относительное содержание воды в материале в процентах.

Водопоглощение – способность материала впитывать и удерживать воду при непосредственном контакте с ней. Величина водопоглощения зависит от структуры материала, и прежде всего от открытой (капиллярной) пористости. Различают водопоглощение по массе В_м (%),

, (1.4)

и водопоглощение по объему В_о (%),

, (1.5)

где m_нас – масса образца, насыщенного водой, г; m_сух – масса сухого образца, г; V_о – объем образца, см³; r_в – плотность воды, 1 г/см³.

Водопоглощение по массе изменяется в широких пределах, например, для гранита оно равно 0,02-0,7 %, тяжелого бетона – 2-4 %, кирпича –
8-15 %, для теплоизоляционного материала может быть более 100 %. Водопоглощение по объему характеризует в основном открытую пористость материала. Зная водопоглощение по массе В_м и плотность ρ_о, можно рассчитать водопоглощение по объему:

(1.6)

Влажностные деформации – это усадка и набухание. Усадка (усушка) – уменьшение объема и размеров материала при его высыхании. Оно вызывается уменьшением толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и действием капиллярных сил, стремящихся их сблизить. Набухание (разбухание) – увеличение объема и размеров материала при его увлажнении. Оно происходит вследствие расклинивающего действия воды и уменьшения капиллярных сил.

Водопроницаемость – способность материала пропускать воду через свою толщу. Характеризуется величиной коэффициента фильтрации К_ф (м²/ч), который определяется количеством воды, прошедшим через 1 м² площади в течение 1 ч при постоянном давлении.

Водонепроницаемость – способность материала не пропускать воду, и она связана с коэффициентом фильтрации обратной зависимостью. Для бетона водонепроницаемость характеризуется марками W 2, W 4, … W 20, обозначающими избыточное давление (0,2; 0,4; …2,0 МПа), при котором образец не пропускает воду при стандартном испытании (метод «мокрого пятна»). Водонепроницаемость повышается при уплотнении материала и уменьшении капиллярных пор.

Водостойкость характеризуется коэффициентом размягчения К_р, который вычисляется по формуле

, (1.7)

где R_нас – предел прочности на сжатие в насыщенном водой состоянии, МПа; R_сух – предел прочности на сжатие в сухом состоянии, МПа.

К неводостойким материалам относят материалы с К_р менее 0,6, к ограниченно водостойким – материалы с К_р не ниже 0,6, а к водостойким – материалы с К_р не ниже 0,7 (0,8 – для гидротехнических сооружений и фундаментов).

Морозостойкость – способность материала выдерживать многократное и попеременное замораживание и оттаивание в насыщенном водой состоянии. Разрушение материала при его замораживании в насыщенном водой состоянии связано с образованием в порах льда, объем которого примерно на 9 % больше объема воды. За марку по морозостойкости принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы материала без видимых признаков разрушения и определенного снижения прочности и потери массы. Установлены марки по морозостойкости: тяжелого бетона – F 25- F 1000, керамического и силикатного кирпича – F 15- F 50 и т.д.

Теплофизические свойства характеризуют отношение материала к действию тепла.

Теплопроводность – способность материала передавать тепло от тела с большей температурой к менее теплому. Характеризуется коэффициентом теплопроводности l (Вт/(м × °С), который равен

, (1.8)

где Q – количество тепла, Дж; d – толщина материала, м; А – площадь сечения, м²; (t₁ ^_ t₂) – разность температур, °С; Т – продолжительность прохождения тепла, с.

Теплопроводность зависит от структуры материала, его влажности и температуры. Существует эмпирическая формула Некрасова для определения теплопроводности материала по его средней плотности

, (1.9)

где d – относительная плотность материала (плотность материала по отношению к плотности воды – 1 г/см³), безразмерная величина.

Теплопроводность зависит от влажности материала, так как вода обладает большей теплопроводностью (в 25 раз) по сравнению с теплопроводностью воздуха.

Термическое сопротивление R, (м²×°С)/Вт, конструкции толщиной d равно

. (1.10)

Теплоемкость определяется количеством теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг данного материала, чтобы повысить его температуру на 1 °С. С повышением влажности материалов их теплоемкость возрастает, так как вода имеет теплоемкость 4,19 кДж/(кг× °С).

Огнеупорность – способность материала выдерживать длительное влияние высоких температур под нагрузкой.

Огнестойкость – способность материала выдерживать кратковременное воздействие открытого огня. Различают материалы: несгораемые, т.е. которые не горят и не поддерживают горение (бетон, металл, керамика); трудносгораемые, т.е. которые при воздействии огня горят (тлеют), а при удалении огня прекращают горение (асфальтобетон, пропитанная антипиренами древесина); сгораемые (древесина, полимерные материалы).

Механические свойства материалов

Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться внутренним напряжениям и деформациям под влиянием силовых, тепловых, усадочных или других воздействий.

Механические свойства разделяют на деформативные (упругость, пластичность и другие) и прочностные (пределы прочности при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании; ударная прочность или сопротивление удару; сопротивление истиранию).

Деформативные свойства.Упругость – свойство материала принимать после снятия нагрузки первоначальную форму и размеры. Модуль упругости (модуль Юнга) характеризует меру жесткости материала, т.е. его способность сопротивляться упругому изменению формы и размеров при приложении к нему внешних сил. Модуль упругости Е (МПа) вычисляется из закона Гука:

, (1.11)

где s – напряжение, МПа; e – относительная деформация.

Пластичность – свойство материала при нагружении в значительных пределах изменять размеры и форму без образования трещин и разрывов и сохранять эту форму после снятия нагрузки. Пластическая деформация, медленно нарастающая без увеличения напряжения, характеризует пластичность материала. Чаще всего с повышением скорости нагружения и понижением температуры материала деформации по своему характеру приближаются к упругопластическим.

Пластическая деформация, медленно нарастающая длительное время (месяцы и годы), при нагрузках, меньших тех, которые способны вызвать остаточную деформацию за обычные периоды наблюдений, называется деформацией ползучести, а процесс такого деформирования – ползучестью.

Хрупкость – свойство материала под действием нагрузки разрушаться без заметной пластической деформации.