Экология строительных материалов

В зависимости от состава стекла, типа катализатора и режима термической обработки из одного и того же состава стекла можно получить ситаллы с различными кристаллическими фазами, а, следовательно, и с различными заранее заданными свойствами. Ситаллы могут быть также получены из расплава стёкол на основе огненно-жидких и металлургических шлаков.

Разработка теоретических основ синтеза и промышленной технологии нового класса стеклокристаллических материалов - шлакоситаллов явилась одним из крупных достижений в области химической технологии строительных материалов. Учённые МХТИ им. Д.И. Менделеева, НИИ Автостекло и Государственного института стекла совместно с работниками Константиновского завода «Автостекло» впервые в мировой практике разработали технологию и в короткие сроки внедрили в промышленном масштабе производство листового шлакоситалла (методом непрерывного проката) и прессованных шлакоситалловых плиток.

Составы шлаковых стёкол определяются видом используемого шлака. Пределы изменения химического состава стёкол, предназначенных для получения шлакоситаллов, сравнительно невелики. Основной корректирующей добавкой в большинстве случаев является обычный песок. В зависимости от вида шлака стекла могут принадлежать к системам:

- (константиновский шлак от производства чугуна);

- (высокомагнезиальные шлаки Урала и Сибири);

- (топливные шлаки и золы).

Практически во все шлаковые стёкла вводится щелочной оксид в количестве 3-5%. Основой шихты для получения шлакоситалла служит измельчённый доменный шлак (до 60%), песок (35-40%) и некоторые другие добавки. Во всех составах шлакоситаллов присутствует фтор (до 2,5%). Специально вводимые добавки соединений фтора существенно понижают температуру кристаллизации и устраняют температурный разрыв между процессами образования зародышей и роста основной фазы (волласанита) в шлакоситаллах. Температура кристаллизации шлакоситалла составляет 930-980⁰С.

Благодаря специальным добавкам шлакоситаллы можно получать чёрного, белого, голубого и других цветов. Прочность шлакоситаллов на изгиб достигает 2500 кг/см². Шлакоситаллы обладают исключительно высокой износоустойчивостью, а также химической и термической стойкостью.

Хорошие физико-механические и физико-химические свойства шлакоситалла, и в первую очередь его износостойкость и химическая устойчивость, в сочетании с декоративностью делают шлакоситаллы ценнейшим строительным материалом для объектов культурно-бытового и промышленного назначения. Только в Москве шлакоситалл нашёл применение при строительстве таких известных объектов, как павильон «Металлургия» ВВЦ, аэропорт «Шереметьево», универмаг «Москва», центральный городской аэровокзал и т.д.

1.12 Металлические материалы и изделия

К металлам относятся вещества, обладающие рядом специфических особенностей: блеском, ковкостью, высокой тепло- и электропроводностью.

В современной технике, в том числе в строительстве, наиболее широко применяют железоуглеродистые сплавы -- стали (до 2,14% С) и чугуны (от 2,14 до 6,67% С). Удельный вес их в общем объеме металлических конструкционных материалов составляет 95--97%. Чугуны и стали являются основными представителями группы черных металлов, в группу цветных металлов входят алюминий, магний, медь, цинк и др., а также их сплавы.

Основы научного металловедения заложены русским металлургом Д. К- Черновым (1839--1921 гг.), который открыл зависимость свойств стали от температуры нагрева и охлаждения, выявил взаимосвязь структуры и свойств стали.

Металлические материалы в строительстве применяют преимущественно в виде различных изделий -- листа, уголковых, двутавровых и швеллерных профилей, труб. Ежегодно в строительстве используется 31--33 млн. т черных металлов, из которых 12--13 млн. т расходуется на арматуру для железобетонных конструкций, около 8 млн. т -- на фасонный и листовой прокат для изготовления металлоконструкций иИ --12 млн. т -- на трубы. В энергетическом строительстве из прокатных профилей возводят несущие конструкции зданий и сооружений, мостовые конструкции, резервуары, конструкции для специальных гидротехнических сооружений и т. п.

Непрерывно увеличивается производство легких стальных конструкций из экономичных профилей проката и низколегированных, высокопрочных сталей. Масса легких конструкций по сравнению с обычными стальными конструкциями меньше в 4-- 6 раз, стоимость их сокращается на 30--40%, примерно на одну треть уменьшаются трудовые затраты.

Расширяется применение легких сплавов на основе цветных металлов и в особенности алюминия (рис. 2.4). В 12-й пятилетке применение алюминиевых сплавов в строительстве намечено увеличить в 1,5--2 раза. Из алюминиевых сплавов изготавливаются наружные стеновые панели, конструкции подвесных потолков и перегородок, оконные переплеты, двери, витражи, жалюзи и т. п. Приближаясь по прочности к конструкциям из строительных сталей, конструкции из алюминиевых сплавов имеют меньшую массу (2,7--2,9 т/) и обладают лучшей огнестойкостью и сейсмостойкостью, хладостойкостью и долговечностью.

Важной народнохозяйственной задачей является всемерное снижение расхода металлов, замена их менее дефицитными материалами.

Металлические материалы в строительстве

Железоуглеродистые сплавы. Основными классификационными признаками железоуглеродистых сплавов являются состав и структура, назначение и наиболее характерные технические свойства.

В зависимости от состава и структуры чугуны подразделяют на две основные группы: серые и белые. В серых чугунах углерод находится в основном в виде графита, в белых -- в виде цементита C. Для первых характерен излом темно-серого, для вторых матово-белого цвета.

Серый чугун обладает хорошими литейными качествами в отличие от белых, имеющих очень высокую твердость и хрупкость. Из серого чугуна для строительных целей изготавливают сантехническое оборудование, трубы, плиты для полов, тюбинги для туннелей и другие изделия. Маркируют серый чугун буквами С -- серый и Ч -- чугун. После букв следуют цифры, которые указывают средний предел прочности при растяжении, например СЧ20 (предел прочности при растяжении 200 МПа).

При введении в жидкий серый чугун перед разливкой специальных добавок получают модифицированный и, в частности, высокопрочный чугун. Его легируют хромом, никелем, молибденом, титаном, алюминием с целью получения чугуна с особыми свойствами: жаростойкого, антифрикционного, антикоррозионного и т. д.

Белый чугун применяется в основном для переделки в сталь и получения ковкого чугуна. Последний отличается от серого повышенной пластичностью, способностью легко обрабатываться. Его получают путем длительного нагрева (отжига) белого чугуна при 760--980° С. При маркировке высокопрочных (ВЧ) и ковких (КЧ) чугунов указывается предел прочности при растяжении и относительное удлинение в процентах, например ВЧ60-2, КЧ45-6. Чугуны со специальными свойствами используются в тех случаях, когда отливка, кроме прочности, должна обладать износостойкостью, коррозионной стойкостью, жаростойкостью и т. д.

Стали по составу делятся на углеродистые и легированные. Углеродистые стали, кроме железа и углерода, содержат примеси ряда химических элементов, вносимые исходными сырьевыми материалами или обусловленные особенностями производства. Различают низко- (до 0,3% С), средне- (0,3--0,5% С) и высокоуглеродистые (более 0,5% С) стали. Легированные стали содержат наряду с обычными и легирующие примеси, т. е. специально введенные элементы -- хром (X), никель (Н), молибден (М), вольфрам (В), кремний (С), марганец (Г), медь (Д).

По назначению стали классифицируются на конструкционные, инструментальные и специального назначения.

Для строительных конструкций применяют обычно конструкционную углеродистую сталь, содержащую до 0,65--0,7% углерода. При увеличении количества углерода от 0,65 до 1,35% и при содержании марганца до 0,4% получают инструментальную сталь, при уменьшении углерода до 0,2% -- сталь для глубокой вытяжки, с повышенным содержанием серы и фосфора -- автоматную сталь, применяемую в основном для изготовления крепежных деталей (втулок, болтов, гаек, винтов и т. д.).

Изделия из стали. Арматурная сталь.Арматурная проволока

Основным видом специального проката для строительства является арматурная сталь (рис. 2.5). Она делится на классы: стержневая арматура -- класс А, проволока -- В, арматурные канаты -- К. При указании класса могут дополнительно обозначаться способ изготовления, особые свойства или назначение арматуры. Термически обработанную стержневую арматурную сталь обозначают символом Ат, сталь для конструкций, используемых в районах Севера,-- Ас, термически обработанную свариваемую сталь--индексом С (например, Ат-1УС), а такую же сталь с повышенной стойкостью против коррозионного растрескивания под напряжением -- К (например, Ат-ІУК). Основные нормируемые характеристики стержневой арматуры приведены в табл. 2.1.

Арматуру класса А-І изготавливают круглого сечения с гладкой поверхностью, арматура других классов имеет периодический профиль. Арматурная сталь периодического профиля представляет собой круглые стержни с двумя продольными ребрами и поперечными выступами, идущими по трехзаходной винтовой линии. Арматуру поставляют в прутках длиной от 6 до 12 м (термически упрочненную -- в прутках от 5,3 до 13,5 м). Арматура классов А-1 и А-11 диаметром 12 мм, а также класса А-III диаметром до 10 мм может поставляться в мотках.

Арматурную проволоку выпускают диаметром от 3 до 8 мм и подразделяют по форме поперечного сечения на гладкую (В) и периодического профиля (Вр).

Для возведения башен, мачт, опор ВЛ и других решетчатых конструкций широко используются металлические трубы. По способу изготовления их разделяют на бесшовные горяче- и холоднодеформированные и электросварные с продольным прямым или спиральным швом.

Основные размеры труб приведены в табл. 2.2.

Наряду с круглыми сварными трубами для стальных конструкций применяют квадратные и прямоугольные гнутосварные трубы.

Кроме стальных в строительстве находят применение изделия из алюминиевых сплавов в виде листового проката, гнутых и прессованных профилей. Прессование позволяет получать алюминиевые профили, не только схожие со стальными, но и многие другие, в том числе и весьма сложной формы.

Металл, предназначенный для возведения строительных конструкций, хранят в штабелях в соответствии с его профилем, размером и маркой. Укладывают его на металлические или деревянные подкладки высотой не менее 15 см. При хранении алюминиевых изделий применяют только деревянные подкладки. Во избежание возникновения электрохимической коррозии металла деревянные подкладки пропитывают специальным составом и окрашивают лакокрасочными материалами. Ширина штабеля при укладке угловой стали, швеллеров и двутавровых балок принимается 2--2,5 м, высота во всех случаях не должна превышать 1,5 м.

Для хранения труб, круглой и квадратной стали устанавливают металлические стеллажи, предохраняющие штабель от развала.

Таблица 2.2. Основные размеры стальных труб
Тип труб	Наружный диаметр, мм	Толщина стенки, мм	Длина, м
Бесшовные горячедеформированные	25--820	2,5--75	4--12,5
Бесшовные холоднодеформированные:
Особо тонкостенные	5--250	0,3--9	4--12,5
Тонкостенные	5--250	0,6--20	4--12,5
Толстостенные и особотолстостенные	6--250	1,6--24	4--12,5
Прямо шовные электросварные	8--1620	0,8--20	5--12
Электросварные со спиральным швом	159--1420	3,5--14	10--18



2. Свойства строительных материалов

2.1 Основные свойства строительных материалов

К строительным материалам (материал от лат. materia -- вещество) относят природные и искусственные вещества, композиции и изделия из них, применяемые для возведения зданий и сооружений. Взаимосвязи параметров технологии, состава и строения материалов с их строительно-техническими свойствами изучает строительное материаловедение, основанное на фундаментальных закономерностях естественных наук.

Свойства материалов -- это особенности, характеризующие их состояние или отношение к различным явлениям. Совокупность свойств, определяющих пригодность материалов для использования, характеризует их качество. Уровень качества оценивается с привлечением системы показателей назначения, надежности, технологичности и др.

Показатели качества материалов определяют экспериментально -- с помощью технических измерительных средств. В некоторых случаях оценку качества материалов производят эксперты расчетными методами. Различают входной, технологический и приемочный контроль качества строительных материалов. Входной контроль производится для материалов, поступающих на предприятие или стройку. Технологический или операционный контроль производится по мере выполнения отдельных технологических операций, а приемочный -- для готовых изделий.

В обеспечении необходимого качества строительных материалов важную роль играет стандартизация, цель которой заключается в упорядочении правил производства и применения продукции и последовательном повышении требований к показателям ее качества. Стандартные, т. е. нормативные, документы могут быть обязательными только для одного предприятия -- стандарты предприятий (СТП), для предприятий и организаций союзной республики -- республиканские стандарты (РСТ), для всех предприятий данной отрасли или других отраслей, применяющих определенный вид продукции,-- отраслевые стандарты (ОСТ) и для всех предприятий независимо от ведомственной подчиненности -- государственные стандарты (ГОСТ). Предельно допускаемые нормируемые показатели свойств материалов называются марками. Различают, например, марки по прочности, морозостойкости, истираемости, средней плотности и др.

В строительстве, кроме системы стандартов, действует система нормативных документов, объединенных в строительные нормы и правила (СНиП), - обязательная для всех организаций и предприятий.

2.2 Классификация и структура материалов

Классификация материалов. Строительные материалы можно классифицировать по составу, структуре, свойствам, способу получения и области применения.

Состав материалов выражают содержанием химических элементов или оксидов (химический состав) и отдельных частей -- фаз, однородных по химическому составу и физическим свойствам, отделенных друг от друга поверхностями раздела (фазовый состав).

По составу разделяют металлические и неметаллические материалы. Из металлических материалов в строительстве широко применяют железистые сплавы -- чугун и сталь, а также сплавы алюминия. В группу неметаллических входят органические и неорганические материалы. Среди органических преобладают строительные материалы на основе древесины, битумов и синтетических полимеров. В их состав входят преимущественно высокомолекулярные углеводороды и их неметаллические производные.

Наиболее обширна группа неорганических строительных материалов. Химический состав их выражают в основном содержанием оксидов кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия, калия, водорода. Фазовый состав неорганических материалов, применяемых в строительстве (природных камней, цементов, бетона, стекла и др.), представлен силикатами, алюмосиликатами, алюминатами, ферритами, оксидами и их гидратами.

В современном строительстве наиболее широко применяются композиционные строительные материалы (КСМ), скомбинированные из разных материалов для улучшения эксплуатационных свойств по сравнению со свойствами отдельных составляющих компонентов. Примерами природных КСМ являются горные породы, древесина, искусственных -- многие сплавы, бетон, стекло, керамика и др. Общим признаком всех композиционных материалов является существование границы раздела фаз. Одну из фаз КСМ, выполняющую роль основы или связующего, называют матрицей. В матрице могут быть диспергированы в любом агрегатном состоянии различные наполнители в виде порошков, волокон, газовых включений, тонкой стружки, а также частиц любой другой формы.

Важнейшим классификационным признаком материалов, с которыми связаны многие их свойства, является структура-- пространственное расположение элементов, слагающих материалы, и их взаимосвязь. Выделяют различные уровни структуры -- от атомно-молекулярной, проявляемой при рентгенографическом исследовании, до макроструктуры, различаемой невооруженным глазом или при небольшом увеличении.

В зависимости от особенностей расположения ионов, атомов или молекул все твердые материалы делят накристаллические и аморфные



Структура материалов. Главным признаком кристаллической структуры является упорядоченность расположения материальных частиц (вернее, центров их колебаний) в узлах и других точках пространственной решетки. С особенностями строения решеток связаны свойства кристаллов. Кристаллическую структуру имеют большинство горных пород, металлы и сплавы, разнообразные искусственные каменные строительные материалы. Размеры кристаллов весьма разнообразны -- от устанавливаемых с помощью электронного микроскопа до видимых невооруженным глазом. Реальные кристаллы имеют разнообразные дефекты строения -- мозаичную структуру, узловые вакансии атомов или ионов и др. Области с закономерными отклонениями в расположении элементов структуры кристаллов называют дислокациями. Дислокации в значительной мере обусловливают механические и другие свойства кристаллических материалов, в особенности металлов.

Свойства кристаллических тел определяются видом характерных для них химических связей. Наиболее распространенные типы химической связи -- это ионная и ковалентная. Ионную решетку имеют входящие в материалы кристаллы различных солей, оксидов, гидроксидов. Главным структурным элементом наиболее распространенной в строительстве группы силикатных материалов являются ионы ( Они могут различным образом комбинироваться с катионами металлов, что способствует многообразию силикатов и различию в их свойствах. Прочностью ионной связи обусловлены высокие значения температуры плавления силикатных и других материалов. Для материалов, сложенных из кристаллов с ковалентной связью атомов (например, для некоторых полимеров), характерны сравнительно большая твердость, высокая температура плавления и малая летучесть.

Определенным своеобразием отличается кристаллическая решетка металлов. В ее узлах расположены положительные ионы, а между ними перемещаются свободные электроны. Характерные свойства металлов (электропроводность и теплопроводность, термоэлектронная эмиссия, блеск и пр.) обусловливаются наличием в их решетке свободных электронов.

В отличие от кристаллических аморфные материалыимеют неупорядоченное расположение атомов, ионов или молекул. Из аморфных материалов наибольшее применение в строительстве имеет стекло, полученное путем охлаждения минеральных расплавов. В результате постепенного увеличения вязкости при охлаждении стекло обладает механическими свойствами твердых тел, процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное является обратимым. Стекло является изотропным материалом, оно не имеет определенной точки плавления и при нагревании постепенно размягчается.

Свойства строительных материалов тесно взаимосвязаны с их микроструктурой, изучаемой с помощью оптического или электронного микроскопа. Важными элементами микроструктуры материалов являются микропоры. Для строительных материалов удобно в зависимости от радиуса делить поры на три группы: микрокапилляры (0,1 мкм), макрокапилляры(0,1 мкм) и некапиллярные поры.

В капиллярных порах поверхность жидкости принимает форму, обусловленную силами поверхностного натяжения, и мало искажается за счет силы тяжести. Микрокапилляры радиусом менее 0,1 мкм могут быть полностью заполнены жидкостью в результате поглощения ее паров из окружающей среды. Макрокапилляры с радиусами, большими 0,1 мкм, могут быть заполнены жидкостью при непосредственном контакте с нею.

Происхождение пор в материалах может быть связано с газовыделением или воздухововлечением, содержанием избыточной, химически несвязанной воды, различными деструктивными процессами (например, выщелачиванием, дегидратацией, выветриванием и др.).

Многие строительные материалы можно рассматривать как дисперсные системы, т. е. такие системы, которые содержат две (или более) фазы, равномерно распределенные друг в друге. В зависимости от размера частиц дисперсной фазы различают грубодисперсные (>0,1 мкм), коллоидно-дисперсные (0,1--0,001 мкм) и молекулярно-дисперсные (<0,001 мкм) системы. К первым можно отнести разнообразные порошкообразные материалы -- вяжущие вещества, наполнители и др., ко вторым -- цементное и известковое тесто, некоторые пигменты и др., а к третьим -- растворы солей.

В зависимости от того, в каком агрегатном состоянии -- твердом или жидком -- распределено вещество в жидкой дисперсионной среде, дисперсную систему называют соответственно суспензией или эмульсией. Если дисперсная среда -- газ, системы называют аэрозолями.

2.3 Характерные механические свойства твердых материалов

Для технологии строительных материалов особенное значение имеют коллоидные системы (золи), обладающие рядом особенностей: стойкостью к седиментации, т. е. оседанию взвешенных частиц, свечением в проходящем свете, передвижением частиц к электродам при пропускании электрического тока (электрофорез). Высокоразвитая поверхность раздела фаз обусловливает избыток свободной энергии, характерный для коллоидных систем. Уменьшение энергии и повышение устойчивости коллоидных систем происходит за счет слипания твердых частиц (коагуляции) или использования поверхностно-активных веществ (ПАВ), к числу которых относятся в основном органические вещества с асимметрическим строением молекул. ПАВ адсорбируются на поверхности раздела фаз и способствуют получению устойчивых суспензий и эмульсий, ускоряют измельчение твердых тел за счет эффекта адсорбционного снижения прочности (эффект П. А. Ребиндера). Введение ПАВ в коллоидные растворы вызывает процесс обратный коагуляции -- пептизацию. В результате достигается, например, пластификация бетонных и растворных солей, разжижение сырьевых шламов в производстве цемента.

Характерные механические свойства твердых материалов могут достигаться за счет срастания множества мелких кристалликов, возникающих из жидкой среды, например, при твердении бетонов и растворов (кристаллизационная структура) или за счет развития химических связей, например, при получении полимеров, обжиге керамических и других изделий (конденсационная структура).

Макроструктуру материалов можно классифицировать:

-по взаимному размещению их компонентов(последовательно и параллельно составленные),

-размеру зерен (крупно-, средне- и мелкозернистые),

характеру макропор (мелко- и крупнопористые, ячеистые),

-особенностям заполнителей и наполнителей (зернистая, волокнистая, слоистая структура) и другим признакам.

Наиболее значительная часть композиционных строительных материалов имеет конгломератное строение и получена путем цементирования заполнителей разнообразными связующими веществами. Для них в зависимости от соотношения связующего и заполняющего компонентов выделяют контактную,норовую и базальную макроструктуру. При контактной структуре элементы заполняющей части конгломерата контактируют друг с другом, их суммарный объем близок объему конгломерата, при базальной структуре элементы разобщены значительным слоем связующего и как бы плавают в нем. Норовая макроструктура является промежуточной, в этом случае элементы заполняющей части конгломерата склеены в монолит сравнительно тонкой прослойкой связующего.

В зависимости от способа получения строительные материалы можно классифицировать па безобжиговые и получаемые обжигом. Последние в свою очередь разделяются наобожженные до плавления и обожженные до спекания. В группу безобжиговыхвходят материалы естественного происхождения (природные камни, древесина) и материалы, полученные искусственным способом путем твердения конгломератов на основе неорганических и органических вяжущих веществ.

Наиболее характерными технологическими процессами получения строительных материалов являются процессы измельчения, сортировки и классификации, смешивания и гомогенизации (т. е. обеспечения однородности), формования и уплотнения, термической обработки. Выбор тех или иных операций, их совмещаемость определяются видом материалов, принятой технологией.

Закономерности физико-химических процессов получения материалов с заданными свойствами и структурой изучаются физико-химической механикой. В развитие этой науки фундаментальный вклад внесли работы академика П. А. Ребин-дера и его научной школы. Физико-химическая механика открывает не только возможности более полного понимания механизма формирования свойств материалов, но и новые пути в технологии получения высококачественных строительных материалов.

Наиболее важными для строительных материалов являются механические свойства, характеризующие их отношение к внешним силовым воздействиям. В группу механических входят деформативные и прочностные свойства, определяющие соответственно способность материалов сопротивляться деформированию и разрушению под действием в основном внешних сил. Эти свойства непосредственно зависят от структуры материала, сцепления между частицами и особенностей теплового движения частиц.

Деформативные свойства. Силовое воздействие на материал вызывает удаление, сближение или сдвиг атомов. Способность материала восстанавливать форму и объем (твердые материалы) или только объем (жидкие и газообразные материалы) после прекращения действия сил называется упругостью. Для кристаллических материалов упругость вызывается силами притяжения между элементами, образующими пространственную решетку. Раздвинутые под воздействием механических усилий элементы решетки после снятия их стремятся возвратиться в первоначальное положение.

Свойство материала получать значительные упругие деформации под действием сравнительно небольших нагрузок и восстанавливать в основном размеры и форму после разгрузки называется эластичностью. Высокоэластичные материалы (резина, поролон и др.) после снятия нагрузки восстанавливают первоначальные размеры и форму практически мгновенно.

При превышении некоторого предельного значения напряжения, развиваемого в материале, называемого пределом упругости, обнаруживается необратимая (пластическая) деформация. Хрупкие материалы разрушаются, когда напряжение в них не достигает предела упругости.

В упругой области деформация материала пропорциональна действующему напряжению (закон Гука). В соответствии с законом Гука

где а -- нормальное напряжение; Е -- модуль упругости при растяжении; е -- относительное удлинение.

Модуль упругости определяет прочность межатомных связей, он взаимосвязан с рядом механических и физических свойств: прочностью, твердостью, температурой плавления и др. Значения модуля упругости, 1 * 10' МПа: для гранита 30--60; бетона тяжелого 19--40; стекла оконного 48--83; сплавов алюминия 72; чугуна 80--160; стали 200--220.

Материалы, подвергнутые воздействию внешних сил, обладают способностью к самопроизвольному снятию внутренних напряжений. Это объясняется явлением релаксации -- постепенным рассеиванием упругой энергии деформированного материала, переходом ее в теплоту. Период релаксации или время, в течение которого упругое напряжение спадает на определенную величину тр, для твердых тел очень велик по сравнению с временем наблюдения, а для жидкостей, наоборот, мал. Его выражают отношением вязкости тела 1] к модулю упругости Е. Под вязкостью (внутренним трением) жидких тел понимают сопротивление их течению, а твердых -- сопротивление развитию остаточной деформации под действием внешних сил.

Если время воздействия на жидкость деформирующей силы значительно меньше периода релаксации, то жидкость ведет себя как упругое твердое тело. Можно было бы, например, ходить по воде, не погружаясь в нее, если бы время каждого шага не превышало периода релаксации для воды, который составляет 10~15 с.

Свойством, противоположным упругости, является пластичность--способность материалов изменять под влиянием нагрузки без разрушения форму и размеры и сохранять их после прекращения воздействия нагрузки.Пластичность -- важнейшее технологическое свойство, определяющее формуемость материалов. Характерными примерами пластичных материалов являются высококонцентрированные суспензии извести, цемента, гипса, глины и других минеральных веществ в воде, широко применяемых для изготовления строительных изделий. Пластичность таких суспензий тесно связана со свойствами тонких слоев воды, прилегающих к поверхности твердых частиц дисперсной фазы.

При приложении нагрузки выше предела упругости пластические деформации развиваются в некоторых кристаллических (металлы, сплавы и др.) и аморфных (стекло, асфальт и др.) материалах. Пластические деформации кристаллических материалов вызываются сдвигами внутри кристаллов, в результате чего одна часть кристалла перемещается по отношению к другой, изменяет свою форму и вытягивается в направлении деформации. Пластический сдвиг в кристаллах обусловлен перемещением дислокаций.

С повышением температуры пластичность материалов возрастает. Она возрастает также с уменьшением скорости деформирования, с переходом от ковалентной к металлической связи. Для пластичных материалов по мере нагружения наступает период, когда пластические деформации продолжают развиваться несмотря на постоянное напряжение. Наименьшее напряжение, при котором материал деформируется без заметного увеличения нагрузки, называется пределом текучести. Текучесть -- важнейшее свойство структурированных дисперсных систем, таких как цементное тесто, бетонная смесь, битумы, полимеры и др. Вязкость таких систем в отличие от обычных жидкостей редко изменяется под действием внешних сил.

Для твердых материалов важным механическим свойством является ползучесть--медленное нарастание во времени пластической деформации материалов при силовых воздействиях, меньших чем те, которые могут вызвать остаточную деформацию при испытаниях обычной длительности. Скорость ползучести резко уменьшается с понижением температуры и уменьшением напряжения. Деформация ползучести материалов во многих случаях нежелательна, так как она может вызвать, например, увеличенные прогибы. При проектировании конструкций это надо учитывать.

Прочностные свойства. Завершающей стадией силового воздействия на материал является его разрушение. Способность материалов сопротивляться разрушению называется прочностью. Прочность характеризуется критическим напряжением, при котором наступает разрыв сплошности материала. Это напряжение называется пределом прочности. Предел прочности определяют обычно под действием статической нагрузки, нарастающей в течение нескольких минут. При изменении скорости роста нагрузки и характера ее приложения (например, повторно-переменная или динамическая нагрузка) прочность изменяется. Она может существенно изменяться также в зависимости от вида напряженного состояния (растяжения, сжатия, изгиба, кручения и др.).

Определение предела прочности материалов производится на стандартных цилиндрических, кубических и других образцах.

Из всех способов механических испытаний наибольшее распространение имеют испытания на растяжение и сжатие. Испытания производят с помощью специальных испытательных машин и прессов с механическим или гидравлическим приводом.

Теоретическая прочность однородного материала характеризуется напряжением, необходимым для разделения двух примыкающих друг к другу слоев атомов. Она пропорциональна модулю упругости и поверхностной энергии твердого тела на 1 см2 и обратно пропорциональна межатомному расстоянию. Прочность реальных твердых тел в тысячи раз меньше прочности, рассчитанной для идеального кристалла. Это связано с дефектами в структуре, которые развиваются в процессе деформации и становятся местами концентрации напряжений. Прочность материалов уменьшается с увеличением их пористости, приводящей к уменьшению количества связей между структурными элементами и неравномерному распределению нагрузки.

Характерным для прочности реальных тел является так называемый масштабный фактор -- зависимость прочности от размеров тела. При стандартных испытаниях материала на образцах различных размеров для приведения результатов в сопоставимый вид используются переводные коэффициенты. Масштабный фактор объясняется в основном статистической природой процессов разрушения, связанной с влиянием неоднородностей макроструктуры и дефектов материала на процесс возникновения и развития трещин. С увеличением размеров образцов вероятность неоднородностей структуры возрастает и среднее значение предела прочности материала уменьшается.

2.4 Физические свойства строительных материалов

Физические свойства характеризуются параметрами состояния материалов или отношением их к действию физических факторов: воды, температуры, электрического тока, магнитного поля и др.

Параметры состояния. Важнейшими физическими параметрами состояния материалов являются плотность и пористость.

Плотность определяется отношением массы материала к его объему. Для строительных материалов различают истинную и среднюю плотность. Истинная плотность характеризует массу материала т в единице объема, взятого в абсолютно плотном состоянии, т. е. без пор и пустот , а средняя плотность -- в единице объема с учетом последних

Для сыпучих материалов наряду со средней плотностью зерен определяют насыпную плотность, учитывающую межзерновуюпустотность.

Истинная плотность большинства неорганических материалов колеблется в диапазоне 2200--3300 кг/, для стали она составляет 7600--7900, сплавов алюминия 2600--2900, полиэтилена 910--970 кг/. Средняя плотность материалов изменяется в широком диапазоне, например, для наиболее легких пористых пластмасс она составляет 10--20 кг/, и для плотных -- 2000 кг/и более.

Регулирование средней плотности достигается изменением пористости -- объема пор в единице объема материала. Общую пористость можно найти по формуле:.

Пористость материалов оказывает существенное, а часто решающее влияние на ряд других свойств: тепло-, электропроводность, прочность, проницаемость и др. В широком диапазоне значений пористости ее влияние на свойства материалов описывается степенной функцией вида

.где и -- величины, характеризующие свойства соответственно пористого и беспористого материала; -- коэффициент (для предела прочности и для Ударной вязкости = )

Влияние пор на свойства материалов не только связано с их относительным объемом, но и зависит также от их размера, формы, открытого или закрытого характера поровых каналов. Например, при равной общей пористости материалы с большим объемом закрытых пор являются более морозостойкими. Увеличение объема открытых пор способствует повышению звукопоглощения. Строительно-технические свойства материалов улучшаются при мелкопористом строении и равномерном распределении пор. Для определения пористой структуры материалов применяют методы, основанные на вдавливании в поры ртути, пропитке образцов жидкостью с последующим ее вытеснением, откачивании воздуха из пор и др.

Для дисперсных материалов важным параметром состояния является удельная поверхность, т. е. поверхность, отнесенная к единице объема или массы материала. Удельная поверхность

изменяется обратно пропорционально размеру частиц. Можно вычислить, например, для частиц шарообразной формы

где -- радиус частицы.

С увеличением удельной поверхности материалов возрастает их внутренняя энергия и реакционная способность. Удельную поверхность дисперсных материалов измеряют определением сопротивления слоя порошка проходящему току воздуха, а также адсорбционным и другими методами.

Гигроскопичность - способность материалов поглощать влагу из воздуха. Гигроскопичность зависит от химического состава материала и характера его пористости. Одни материалы энергично притягивают своей поверхностью молекулы воды (их называют гидрофильными), другие отталкивают воду (их относят к гидрофобным). Последние стойко сопротивляются действию водной среды. Материалы с одинаковой пористостью, но имеющие более мелкие поры и капилляры, оказываются более гигроскопичными, чем крупнопористые.

При применении пористых теплоизоляционных материалов необходимо учитывать, что в определенных эксплуатационных условиях (повышенная влажность) за счет повышенной их гигроскопичности может увеличиться теплопроводность ограждающих конструкций зданий.

Гигроскопическая влага находится в адсорбционносвязанном состоянии и удерживается в порах материала. Однако после прекращения контакта материала с окружающей влажной средой гигроскопическая влага частично или полностью испаряется.

Влажность материала определяется содержанием влаги, отнесенной к массе материала в сухом состоянии. Влажность зависит как от свойств самого материала (пористости, гигроскопичности), так и от окружающей его среды (влажность воздуха, наличие контакта с водой). Влажность учитывают при транспортировке, хранении и приемке материалов по массе. Она влияет на теплопроводность, устойчивость к гниению и некоторые другие свойства материалов.

Водопоглощение - способность материала впитывать воду и удерживать ее. Величина водопоглощения определяется разностью массы образца в насыщенном водой и абсолютно сухом состояниях. Различают объемноеводопоглощение, когда указанная разность отнесена к объему образца, и массовое водопоглощение, когда эта разность отнесена к массе сухого образца.

Водопоглощение различных материалов колеблется в широких пределах. Например, массовоеводопоглощение керамических плиток для полов не выше 4 %, керамического кирпича - 8-20, тяжелого бетона -2-3, гранита - 0,3-0,8, а пористых теплоизоляционных материалов (торфоплит) - выше 100 %.

Насыщение материалов водой отрицательно влияет на их основные свойства: увеличивает среднюю плотность и теплопроводность, понижает прочность.

Влагоотдача - свойство материала отдавать влагу окружающему воздуху, характеризуемое количеством воды (в процентах по массе или объему стандартного образца), теряемой материалом в сутки при относительной влажности окружающего воздуха 60 % и температуре 20 °С.

Величина влагоотдачи имеет большое значение для многих материалов и изделий, например, стеновых панелей и блоков, мокрой штукатурки стен, которые в процессе возведения здания обычно имеют повышенную влажность, а в обычных условиях благодаря влагоотдаче высыхают. Вода испаряется до тех пор, пока не установится равновесие между влажностью материала стен и влажностью окружающего воздуха, т. е. пока материал не достигнет воздушно-сухого состояния.

Водостойкость- способность материала сохранить свою прочность после насыщения водой. Она характеризуется коэффициентом размягчения, который определяется как отношение предела прочности (при сжатии) материала в насыщенном водой состоянии к пределу прочности в сухом состоянии. Коэффициент размягчения для разных материалов колеблется от 0 (необожженные глиняные материалы) до 1 (стекло, сталь, битум). Мате­риалы с коэффициентом размягчения не менее 0,8 относят к водостойким. Их разрешается использовать в строительных конструкциях, находящихся в воде и в местах с повышенной влажностью.

Водопроницаемость- свойство материала пропускать воду под давлением. Величина водопроницаемости характеризуется количеством воды, прошедшей в течение 1 час.через 1 площади испытуемого материала при постоянном давлении. К водонепроницаемым материалам относятся особо плотные (сталь, стекло, битум) и плотные материалы с замкнутыми порами (гидротехнический бетон специально подобранного состава). Высокой водонепроницаемостью отличаются гидроизоляционные, антикоррозионные и герметизирующие материалы.

Паро- и газопроницаемость - свойства материала пропускать через свою толщу под давлением водяной пар или газы (воздух). Все пористые материалы при наличии незамкнутых пор способны пропускать пар или газ.

Паро- и газопроницаемость материала характеризуются соответствующими коэффициентами, которые определяются количеством пара или газа в л, проходящего через слой материала толщиной 1 м и площадью 1 . в течение 1 час.при разности парциальных давлений на противоположных стенках 133,3 Па. Паропроницаемость следует учитывать при выборе материалов для изоляции холодильников или других сооружений и объектов, работающих при температурах более низких, чем температура окружающего воздуха, так как в этом случае водяные пары проникают из окружающего воздуха в изолируемую конструкцию, конденсируются и превращаются в капли воды, что приводит к увлажнению конструкции и значительному ухудшению ее теплозащитных свойств.

При выборе материалов для стен производственных помещений с повышенной влажностью (коммунальных предприятий, текстильных фабрик и т.п.) необходимо учитывать, что в зимнее время водяные пары, проходя через стену и попадая в холодную часть ограждения, конденсируются и значительно повышают влажность в этих местах. При этом создаются условия, способствующие быстрому разрушению материала (силикатного кирпича, легкого бетона) наружной ограждающей конструкции при действии мороза.

Паронепроницаемые материалы следует располагать с той стороны ограждающей конструкции, с которой содержание водяного пара в воздухе больше.

Воздухопроницаемость материалов следует учитывать при применении их в наружных стенах и покрытиях зданий, а газопроницаемость при применении их в конструкциях специальных сооружений.

Морозостойкость - свойство насыщенного водой материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного снижения прочности.

Замерзание воды, заполняющей поры материала, сопровождается увеличением ее объема примерно на 9 %, в результате чего возникает давление на стенки пор, приводящее к разрушению материала. Однако во многих пористых материалах вода не может заполнить более 90 % объема пор, поэтому образующийся при замерзании лед имеет свободное пространство для расширения. Разрушение материала наступает только после многократного попеременного замораживания и оттаивания.

Принимая во внимание неоднородность строения материала и неравномерность распределения в нем воды, удовлетворительную морозостойкость можно ожидать у таких пористых материалов, в которых вода заполняет не более 80 %, пор, т. е. объемное водопоглощение таких материалов составляет не более 80 % открытой пористости. Плотные материалы, не имеющие пор, или материалы с незначительной открытой пористостью, водопоглощение которых не превышает 0,5 %, обладают высокой морозостойкостью. Морозостойкость имеет большое значение для стеновых материалов, систематически подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию, а также для материалов, применяемых в фундаментах и кровельных покрытиях.

Материалы на морозостойкость испытывают в холодильных камерах путем замораживания насыщенных водой образцов при температуре -15 - -17 °С и последующего их оттаивания в воде при температуре около 20 °С. Материал признают морозостойким, если после заданного числа циклов замораживания и оттаивания потеря в массе образцов в результате выкрашивания и расслаивания не превышает 5 % и прочность снижается не более чем на 25 %.

Для морозостойких материалов КМрз должен быть не менее 0,75.

По числу выдерживаемых циклов попеременного замораживания и оттаивания (степени морозостойкости) материалы подразделяют на марки Мрз 10, 15, 25, 35, 50, 100, 150, 200 и более. К строительным материалам в зависимости от вида конструкции и характера работы сооружения предъявляют различные требования по морозостойкости. Так, морозостойкость керамического кирпича должна быть не менее 15 циклов, асбестоцементных кровельных материалов 30-50 циклов, а конструктивного бетона в гидротехнических сооружениях - 200 циклов и более.

Теплопроводность - свойство материала передавать через толщу теплоту при наличии разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Теплопроводность материала оценивается количеством теплоты, проходящей через стену из испытуемого материала толщиной 1 м площадью 1 за 1 час при разности температур противоположных поверхностей стены 1 °С. Теплопроводность измеряется в Вт/(м-К) или Вт /(м-°С)

Теплопроводность материала зависит от многих факторов: природы материала, его строения, пористости, влажности, а также от средней температуры, при которой происходит передача теплоты. Материал кристаллического строения обычно более теплопроводен, чем материал аморфного строения. Если материал имеет слоистое или волокнистое строение, то теплопроводность его зависит от направления потока теплоты по отношению к волокнам, например, теплопроводность древесины вдоль волокон в 2 раза больше, чем поперек волокон.

На теплопроводность материала в значительной мере влияют величина пористости, размер и характер пор. Мелкопористые материалы менее теплопроводны, чем крупнопористые, даже если их пористость одинакова. Материалы с замкнутыми порами имеют меньшую теплопроводность, чем материалы с сообщающимися порами. Теплопроводность однородного материала зависит от величины его средней плотности. Так, с уменьшением плотности материала теплопроводность уменьшается и наоборот. Теплопроводность в воздушносухом состоянии тяжелого бетона 1,3-1,6, керамического кирпича 0,8-0,9, минеральной ваты 0,06-0,09 Вт/(м*°С).

Влажные материалы более теплопроводны, чем сухие. Объясняется это тем, что теплопроводность воды в 25 раз выше теплопроводности воздуха. При повышении температуры теплопроводность увеличивается, что имеет значение для теплоизоляционных материалов, применяемых для изоляции трубопроводов, котельных установок и др.

Знать теплопроводность материала необходимо при теплотехническом расчете толщины стен и перекрытий отапливаемых зданий, а также при определении требуемой толщины тепловой изоляции горячих поверхностей, например, трубопроводов, заводских печей и т. д.

Теплоемкость - свойство материала поглощать при нагревании определенное ,количество теплоты и выделять ее при охлаждении.

Показателями теплоемкости служит удельная теплоемкость, равная количеству теплоты: (Дж), несводимому для нагревания 1 кг материала на 1 . Удельная теплоемкость кДж,искусственных каменных материалов 0,75-0,92, древесины - 2,4-2,7, стали - 0,48, воды - 4,187.

Теплоемкость материалов учитывают при расчетах теплоустойчивости стен и перекрытий отапливаемых зданий, подогрева составляющих бетона и раствора для зимних работ, а также при расчете печей.

Огнестойкость - способность материала противостоять действию высоких температур и воды в условиях пожара. По степени огнестойкости строительные материалы делят на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы под действием огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются. К этим материалам относят природные каменные материалы, кирпич, бетон, сталь. Трудносгораемые материалы под действием огня с трудом воспламеняются, тлеют или обугливаются, но после удаления источника огня их горение и тление прекращаются. Примером таких материалов могут служить древесно-цементный материал фибролит и асфальтовый бетон. Сгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются и продолжают гореть после удаления источника огня. К этим материалам в первую очередь следует отнести дерево, войлок, толь и рубероид.

Огнеупорностью называют свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры, не расплавляясь и не деформируясь. По степени огнеупорности материалы делят на огнеупорные, тугоплавкие и легкоплавкие.

Огнеупорные материалы способны выдерживать продолжительное воздействие температуры свыше 1580 °С. Их применяют для внутренней облицовки промышленных печей (шамотный кирпич). Тугоплавкие материалы выдерживают температуру от 1350 до 1580 °С (гжельский кирпич для кладки печей). Легкоплавкие материалы размягчаются при температуре ниже 1350 °С (обыкновенный глиняный кирпич).

2.5 Химические свойства строительных материалов

Химические свойствахарактеризуют способность материалов к химическим превращениям под влиянием веществ, находящихся с ними в непосредственном соприкосновении.

Способность материалов не разрушаться в химически агрессивных средах характеризует их химическую стойкость. Химическая стойкость зависит от структуры материалов и их состава. Повышение химической стойкости материалов достигается введением в их состав легирующих элементов, образованием защитных покрытий и другими способами. Химический состав неметаллических кислотостойких материалов представлен преимущественно кислотными оксидами, щелочестойких -- основными оксидами. Например, силикатные материалы (стекло, кварц, асбест и др.), содержащие в основном оксид кремния, стойки к действию кислот, но при определенных условиях взаимодействуют со щелочами, а цементный камень, известняк, мрамор, в составе которых превалирует оксид кальция, щелочестойки, но легко разрушаются кислотами.

Разрушение материалов в результате физического или химического взаимодействия их с окружающей средой называют коррозией. Химическая коррозия материалов происходит под воздействием газов, воды, водных растворов солей и кислот, органических веществ. Химическая коррозия металлов заключается в их окислении и образовании окалины. Для металлов распространена электрохимическая коррозия, происходящая при их взаимодействии с электролитами.

Неметаллические материалы наиболее часто корродируют в водной среде. Агрессивные свойства воды определяются степенью ее минерализации, жесткости, а также кислотности или щелочности. Обычно вода рек и озер имеет слабощелочную реакцию. Общее содержание солей в речных водах, как правило, не превышает 0,3--0,5 г/л. Грунтовые и подземные естественные воды содержат обычно повышенное количество минеральных солей и других примесей. Морская (океанская) вода может содержать до 35 мг/л солей, из них до 78% хлористого натрия, 11% хлористого магния, около 11% сульфатов магния, кальция и калия.

...