Методы оценки состава и структуры материалов.
Строительный материал характеризуется химическим, минеральным и фазовым составом.
1) Химический состав строительных материалов позволяет судить о ряде свойств материала: огнестойкости, биостойкости, 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.
2) Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком количестве содержатся в вяжущем веществе или в каменном материале.
3) Фазовый состав материала и фазовые переходы воды, находящиеся в его порах, оказывают влияние на все свойства и поведение материала при эксплуатации.
Самыми распространёнными методами исследования являются:
· оптическая микроскопия, которая состоит из 3х частей- инфракрасная область, видимая часть, ультрафиолетовая область, где видимая часть используется для внешней оценки структуры материала, инфракрасная и у/ф области предназначены для определения внутреннего строения вещества;
· ядерный магнитный резонанс (ЯМР);
· ядерный гамма резонанс;
· метод дифференциального термического анализа (ДТА)- предназначен для определения фазовых переходов при нагревании или охлаждении материала, а также для определения уменьшения при этих процессах массы материала;
· электронная микроскопия;
· рентгенографический анализ.
Параметры состояния материалов
Основные структурные характеристики материала, во многом определяющие его свойства, - это плотность и пористость.
Истинная плотность p материала характеризуется массой единицы объема материала, причем имеется в виду объем только твердого вещества, из которого состоит материал Vтв без учета объема пор и пустот: р = m/Vтв. Иными словами, истинная плотность - это плотность вещества, из которого состоит материал. У непористых материалов (стекло, сталь, битум) средняя плотность равна истинной. Истинная плотность каждого вещества - постоянная характеристика (физическая константа), которая не может быть изменена, как средняя плотность материала, без изменения его химического состава или молекулярной структуры. Значения истинной плотности вещества зависят в основном от его химического состава, и у материалов с близким химическим составом они различаются незначительно.
Средняя плотность pm материала - физическая величина, определяемая отношением массы m материала ко всему занимаемому им объему V, включая имеющиеся в них поры и пустоты: pm = m/V. Следовательно, плотность материала меняется в зависимости от его структуры. Поэтому искусственные материалы можно получать с заданной (требуемой) плотностью, изменяя их структуру.
Многие материалы за исключением металла, стекла, мономинералов являются пористыми.
Пористость - это степень заполнения объема материала порами: П = (Vпор / V)* 100 (%)
Строение пористого материала характеризуется общей открытой и закрытой пористостью. Распределение пор по их радиусам и удельной внутренней поверхностью пор. Эксперементальный метод определения пористости основан на замещении порового пространства в материале сжиженным гелием или др. средой. Пористость строительных материалов колеблется от 0 до 98%.
Открытая пористость может быть 3х видов:
Гелевая - это непрореагировшие с водой частицы цементного клинкера. За счёт продукции гидратации цементных минералов.
Капилярная - возникает за счёт образования пустот при перемешивании цементного теста.
Контракционная - возникает из-за уменьшения суммарного объёма твердеющей системы(химическая усадка или контракция).
Гидрофизические свойства.
1) Гигроскопичность- способность материала поглощать водяные пары из воздуха.
Поглощение влаги из воздуха обусловлено полимолекулярной адсорбцией водяного пара на внутренней поверхности пор. Этот физико-химический процесс называют сорбцией, он является обратимым; обратный процесс- десорбция.
2) Водопоглощение - способность материалов впитывать и удерживать в своих порах влагу — характеризуется максимальным количеством воды, которое может поглотить абсолютно сухой материал.
Водопоглощение определяют по отношению к массе сухого материала (водопоглощение по массе Wm) или по отношению к естественному объему материала (объемное водопоглощение Wv): Wm = [(m2 – m1)/m1] · 100 %; Wv = [(m2 – m1)/Vест] · 100 %, где m1 - масса материала в сухом состоянии, г; m2 — масса насыщенного водой материала, г.
Водопоглощение колеблется в очень широких пределах от 0,02-0,07% у гранита до 7-8% у бетона.
Это свойство материалов используют для оценки структуры вещества.
Методика определения водопоглащения: отобранные образцы высушивают до постоянной массы, взвешмвают. Затем укладывают на ложок в сосуд с водой, имеющей температуру 20 + 5° С, в один ряд на подкладки так, чтобы толщина слоя воды над кирпичами была не менее 2см, но не более 10см, чтобы не создать значительного давления воды. После выдерживания в воде в течение 48 часов кирпичи вынимают из сосуда, обтирают мягкой влажной тканью и взвешивают.
3) Влажностные деформации. Пористые неорганические и органические материалы (бетоны, древесина и др.) при изменении влажности изменяют свой объем и размеры.
Усадкой (усушкой) называют уменьшение объема и размеров материала при его высыхании. Она вызывается уменьшением толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала. Усадка возникает и увеличивается, когда из материала удаляется вода, находящаяся в гидратных оболочках частиц и в мелких порах. Испарение воды из крупных пор не ведет к сближению частиц материала и практически не вызывает объемных изменений.
Набухание (разбухание) происходит при насыщении материала водой. Полярные молекулы воды, проникая в промежутки между частицами или волокнами, слагающими материал, как бы расклинивают их, при этом утолщаются гидратные оболочки вокруг частиц, исчезают внутренние мениски, а с ними и капиллярные силы. Чередование высыхания и увлажнения пористого материала, часто встречающееся на практике, сопровождается попеременными деформациями усадки и набухания. Такие многократные циклические воздействия нередко вызывают появление трещин, ускоряющих разрушение. В подобных условиях находится бетон в дорожных покрытиях, в наружных частях гидротехнических сооружений. Высокопористые материалы (древесина, ячеистые бетоны), способные поглощать много воды, характеризуются большой усадкой, мм/м:
Древесина (поперек волокон)- 30-100 до Гранит- 0,02-0,06
4) Морозостойкость- свойство материала, насыщенного водой, выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без значительных признаков разрушения и снижения прочности. От морозостойкости в основном зависит долговечность материалов, применяемых в наружных зонах конструкций различных зданий и сооружений. Разрушение материала при таких циклических воздействиях связано с появлением в нем напряжений, вызванных как односторонним давлением растущих кристаллов льда в порах материала, так и всесторонним гидростатическим давлением воды, вызванным увеличением объема при образовании льда примерно на 9% '(плотность воды равна 1, а льда — 0,917). При этом давление на стенки пор может достигать при некоторых условиях сотен МПа. Очевидно, что при полном заполнении всех пор и капилляров пористого материала водой разрушение может наступить даже при однократном замораживании. Однако у многих пористых материалов вода не может заполнить весь объем доступных пор, поэтому образующийся при замерзании воды лед имеет свободное пространство для расширения. При насыщении пористого материала в воде в основном заполняются водой макрокапилляры, микрокапилляры при этом заполняются водой частично и служат резервными порами, куда отжимается вода в процессе замораживания.
При работе пористого материала в атмосферных условиях (наземные конструкции) водой заполняются в основном микрокапилляры за счет сорбции водяных паров из окружающего воздуха; крупные же поры и макрокапилляры являются резервными.. Следовательно, морозостойкость пористых материалов определяется величиной и характером пористости и условиями эксплуатации изготовленных из них конструкций. Она тем выше, чем меньше водопоглощение и больше прочность материала при растяжении. Учитывая неоднородность строения материала и неравномерность распределения в нем воды, удовлетворительную морозостойкость можно ожидать у пористых материалов, имеющих объемное водопоглощение не более 80 % объема пор (&н<0,8). Разрушение материала наступает только после многократного попеременного замораживания и оттаивания.
Морозостойкость характеризуется числом циклов попеременного замораживания при —15, —17 °С и оттаивания в воде при температуре около 20 °С. Выбор температуры замораживания не выше —15, —17 СС вызван тем, что при более высокой температуре вода, находящаяся в мелких порах и капиллярах, не может вся замерзнуть. Число циклов (марка), которые должен выдерживать материал, зависит от условий его будущей службы в сооружении, климатических условий и указывается в СНиПах и ГОСТах на материалы.
Материал считают выдержавшим испытание, если после заданного количества циклов замораживания и оттаивания потеря массы образцов в результате выкрашивания и расслаивания не превышает 5%, а прочность снижается не более чем на 15 % (для некоторых материалов на 25 %). Для определения морозостойкости иногда используют ускоренный метод, например с помощью сернокислого натрия. Кристаллизация этой соли из насыщенных паров при ее высыхании в порах образцов воспроизводит механическое действие замерзающей воды, но в более сильной степени, так как образующиеся кристаллы крупнее (значительное увеличение объема). Один цикл таких испытаний приравнивается 5...10 и даже 20 циклам прямых испытаний замораживанием. С некоторым приближением о морозостойкости можно косвенно судить по величине коэффициента размягчения. Большое понижение прочности вследствие размягчения материала (больше 10 %) указывает, что в материале есть глинистые или другие размокающие частицы, что отрицательно сказывается и на морозостойкости материала
Теплофизические свойства.
1) Теплопроводность- — свойство стройматериала передавать теплоту через толщу от одной поверхности к другой. Теплопроводность К [Вт/(м-°С)] характеризуется количеством теплоты (Дж), проходящей через материал толщиной 1 м, площадью 1 м2 в течение 1 с, при разности температур на противоположных поверхностях материала 1 °С. Теплопроводность материала зависит от его химического состава и структуры, степени и характера пористости, влажности и температуры, при которых происходит процесс передачи теплоты. Материалы слоистого или волокнистого строения имеют различную теплопроводность в зависимости от направления потока теплоты по отношению к волокнам. Например, у древесины теплопроводность вдоль волокон в 2 раза больше, чем поперек волокон. Материал кристаллического строения более теплопроводен, чем материал того же состава, но аморфного строения.
В значительной мере теплопроводность зависит от величины пористости, размера и характера пор. У пористых, материалов тепловой поток проходит через твердый «каркас» материала и воздушные ячейки. Теплопроводность воздуха очень низка — 0,023 Вт/(м-°С), а вещества, из которых построен твердый каркас материала, имеют значительно большую теплопроводность. Мелкопористые материалы и материалы с замкнутыми порами обладают меньшей теплопроводностью, чем крупнопористые материалы и материалы с сообщающимися порами. Это связано с тем, что в крупных и сообщающихся порах усиливается перенос теплоты конвекцией, что и повышает суммарную теплопроводность.
С увеличением влажности материала теплопроводность возрастает, поскольку вода имеет теплопроводность в 25 раз больше, чем воздух. Еще в большей степени возрастает теплопроводность сырого материала с понижением его температуры, особенно при замерзании воды в порах, так как теплопроводность льда равна 2 Теплопроводность большинства строительных материалов увеличивается с повышением их температуры. Это необходимо знать при выборе материалов для тепловой изоляции теплопроводов, котельных установок и т. п.
Теплопроводность материалов учитывается при теплотехнических расчетах толщины стен и перекрытий отапливаемых зданий, а также при определении требуемой толщины тепловой изоляции горячих поверхностей и холодильников.
От термического сопротивления зависят толщина наружных стен и расход топлива на отопление зданий.
2) Теплоёмкость- способность материала поглощать при нагревании теплоту. Характеризуется удельной теплоёмкостью.
3) Тепловое расширение- способность материала расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении. Характеризуется температурными коэффициентами объёмного и линейного расширения.
4) Огнестойкость— свойство материала противостоять действию высоких температур и воды в условиях пожара без значительной потери несущей способности. По степени огнестойкости строительные материалы делят на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.
Несгораемые материалы в условиях высоких температур не подвержены воспламенению, тлению или обугливанию. При этом некоторые материалы почти не деформируются (кирпич, черепица), другие могут деформироваться, сильно (сталь) или растрескиваться (гранит). Поэтому стальные конструкции часто требуется защищать другими, более огнестойкими материалами.
Трудносгораемые материалы под воздействием высоких температур с трудом воспламеняются, тлеют и обугливаются, но только в присутствии огня. При удалении огня процессы горения, тления и обугливания прекращаются (фибролит, асфальтовый бетон и др.).
Сгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются и горят или тлеют и после удаления источника огня (древесина, войлок, битумы, смолы и др.). Сгораемые материалы защищают от возгорания, для этого используют конструкционные меры, исключающие воздействие огня на материал в условиях пожара.
Характеризуется пределами огнестойкость и распространения огня.
Пределы огнестойкость строит. конструкций определяются путем их огневых испытаний по стандартной методике и выражаются временем (ч или мин) действия на конструкцию т. наз. стандартного пожара (см. ниже) до достижения ею одного из след. предельных состояний:
1) потери несущей способности (обрушение или прогиб) при проектной схеме опирания и действии нормативной нагрузки - постоянной от собств. веса конструкции и временной, длительной, от веса, напр., стационарного оборудования (станков, аппаратов и машин, электродвигателей и др.);
2) повышения т-ры необогреваемой пов-сти в среднем более чем на 160 °С или в любой ее точке более чем на 190 °С в .сравнении с начальной т-рой либо более 220 °С независимо от т-ры конструкции до испытаний;
3) образования в конструкции сквозных трещин или отверстий, через к-рые проникают продукты горения или пламя;
4) достижения при испытаниях ненагруженной конструкции критич. т-ры (т.е. т-ры, при к-рой происходят необратимые изменения физ.-мех. св-в) ее несущих элементов или частей, защищенных огнезащитными покрытиями и облицовками; характеризует потерю несущей способности.
5) Огнеупорность— свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры, не деформируясь и не расплавляясь.
Материалы, выдерживающие температуру более 1580 °С, называют огнеупорными, от 1350 до 15880 ГС —тугоплавкими, ниже 1350 °С — легкоплавкими. Материалы, которые способны длительное время выдерживать воздействие температур до 1000 °С без потери или с незначительной потерей прочности, относят к жаростойким (жаростойкие бетон, кирпич и др.).
При нагревании образца происходит накопление в нем жидкой фазы (расплава), а также снижается вязкость этого расплава и эффективная вязкость всего образца, при определенной температуре происходит деформация образца, эта температура и называется его температурой огнеупорности или просто огнеупорностью.
Огнеупорные материалы применяют для внутренней облицовки промышленных печей.
Механические свойства.
Механические свойства характеризуются способностью материала сопротивляться всем видам внешних воздействий с приложением силы. По совокупности признаков различают прочность материала при сжатии, изгибе, ударе, кручении и т. д., твердость, пластичность, упругость, истираемость.
Прочность— свойство материала сопротивляться разрушению под действием напряжений, возникающих от нагрузки. Изучением этого свойства материалов занимается специальная наука — сопротивление материалов.
В конструкциях строительные материалы, подвергаясь различным нагрузкам, испытывают напряжение сжатия, растяжения, изгиба, среза и удара. Чаще всего они работают на сжатие или на растяжение. Природные камни, а также бетоны и кирпич хорошо сопротивляются сжатию, значительно хуже — срезу, а еще слабее — растяжению. На растяжение они выдерживают нагрузку в 10— 15 раз меньшую, чем на сжатие. Поэтому указанные материалы следует применять главным образом в строительных конструкциях, работающих на сжатие. Другие строительные материалы (например, древесина, сталь) хорошо работают в конструкциях, подвергающихся как сжатию, так и растяжению (в балках, например).
Предел прочности определяют нагружением испытуемых образцов материала до их разрушения (на прессах или разрывных машинах). Признаками разрушения являются появление трещин на образце, отслаивание и деформации.
Строительные материалы часто испытывают также на изгиб. Для этого требуется сравнительно небольшая разрушающая нагрузка, поэтому испытание можно проводить как в лабораторных условиях, так и на строительной площадке.
Предел прочности при изгибе приближенно вычисляют по приведенным формулам, заменяя в них изгибающую нагрузку разрушающей. При испытании на изгиб разрушение материалов обычно начинается в нижней растянутой зоне, потому что у большинства из них (за исключением стали и древесины) предел прочности при растяжении меньше предела прочности при сжатии.
Твердостью называется свойство материала сопротивляться прониканию в него постороннего более твердого тела. Это свойство не находится в прямой зависимости от прочности: материалы с разными значениями предела прочности (например, стали разных марок) могут обладать примерно одинаковой твердостью. Применяются различные способы испытания твердости материалов, сопоставлять же можно только показатели, полученные одним и тем же способом.
Твердость однородных каменных материалов определяют по шкале твердости, в которой десять специально подобранных минералов расположены в таком порядке, что на каждом из них все последующие могут оставлять черту.
Для определения твердости древесины, стали и бетона в образцы вдавливают стальной шарик под определенной нагрузкой и определяют глубину вдавливания.
Истираемостью называют способность материала уменьшаться в весе и объеме под действием истирающих усилий. Истираемость имеет большое значение для тех материалов, которые в условиях службы в строительных конструкциях подвергаются истирающему воздействию (например, материалы для полов, лестниц, угольных и других бункеров).
Сопротивлением удару называется способность материала сопротивляться ударным воздействиям. Строительные материалы в некоторых конструкциях подвергаются также ударным воздействиям. Для испытания материалов на удар применяют специальные приборы — копры.
Упругостью называется свойство материала восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузки, под действием которой форма материала в той или иной мере изменяется. Восстановление первоначальной формы может быть полным при малых нагрузках и неполным при больших. В последнем случае в материале возникают так называемые остаточные деформации.
Предел упругости материала — это то наибольшее напряжение при различных видах деформации материала, при котором еще не обнаруживается их остаточная (пластическая) деформация. Условный предел упругости представляет собой наименьшее напряжение, которое вызывает появление остаточной деформации заданной очень малой величины.
Пластичностью называют способность материала под влиянием действующих на него усилий изменять свои размеры и форму без образования трещин и сохранять ее после снятия нагрузки.