Характеристика структури та будови матеріалів

Водопроникність -- здатність матеріалу пропускати воду під тиском. Вона характеризується кількістю води, що проходить через зразок матеріалу площею 1 см2 за 1 годину під тиском 1 МПа.

Водостійкість -- це здатність матеріалу зберігати міцність при тимчасовому чи постійному зволоженні водою. Водостійкість характеризується коефіцієнтом розм'якшення, або водостійкості, який визначається відношенням міцності насиченого водою матеріалу Rн до його міцності в сухому cтані Rс:

Кр=Rн/Rс.

Пилопроникність характеризує здатність пропускати дисперсні частки пилу

8. Будівельне матеріалознавство. Мета та завдання будівельного матеріалознавства. Приведіть перелік аспектів життєдіяльності людства як у відповідності до концепцій «рівномірного або сталого розвитку» Ріо-де-Жанейро 1992 конф ООН) враховується при створенні будівельних матеріалів

Будівельне матеріалознавство вивчає зв'язки між складом структурою та властивостями будівельних матеріалів, закономірності їх змінювання під зовнішнім впливом.

5. Метою дисципліни є вивчення особливостей структурування будівельних матеріалів, їх фізико-механічних, хімічних та експлуатаційних властивостей, а також особливостей їх застосування у будівництві.

Курс будівельного матеріалознавства включає теоретичні основи формування структури і властивостей матеріалів та технічну характеристику конкретних матеріалів, що застосовують у будівництві.

6. Завданням курсу є:

• прогнозування властивостей матеріалів, які використовуються в будівництві, їх поводження в конструкціях з урахуванням складу і структури;

• розробка ефективних шляхів і засобів удосконалення нових матеріалів із заданими структурою та властивостями.

7. В результаті вивчення дисципліни студенти повинні знати:

• основні види і властивості будівельних матеріалів;

• взаємозв'язок структури і експлуатаційних властивостей будівельних матеріалів.

8. Студенти повинні вміти:

• правильно використовувати будівельні матеріали з урахуванням їх властивостей і техніко-економічних характеристик, вміти визначати їх якість;

• розв'язувати проблемні ситуації у будівельному виробництві, які пов'язані із взаємозаміною будівельних матеріалів;

• використовувати промислові відходи для заміни та економії кондиційних матеріалів.

9. Принципи побудови композиційних матеріалів будівельного призначення. Основні елементи композиційних композиційного матеріалу. Дайте їх визначення

Композиційний матеріал - неоднорідний суцільний матеріал, що складається з двох або більше компонентів, серед яких можна виділити армуючі елементи, що забезпечують необхідні механічні характеристики матеріалу, і матрицю, що забезпечує спільну роботу армуючих елементів. Механічне поведінка композиту визначається співвідношенням властивостей армуючих елементів і матриці, а також міцністю зв'язку між ними. Ефективність і працездатність матеріалу залежать від правильного вибору вихідних компонентів і технології їх суміщення, покликаної забезпечити міцний зв'язок між компонентами при збереженні їх початкових характеристик. У результаті суміщення армуючих елементів і матриці утворюється комплекс властивостей композиту, не тільки відображає вихідні характеристики його компонентів, але і включає властивості, якими ізольовані компоненти не володіють. Зокрема, наявність кордонів розділу між армуючими елементами і матрицею істотно підвищує тріщиностійкість матеріалу, і в композитах, на відміну від металів, підвищення статичної міцності призводить не до зниження, а, як правило, до підвищення характеристик в'язкості руйнування.

КМ класифікують за рядом ознак:

· за формою зміцнювального компонента (волокнисті, дисперсно-зміцнені, шаруваті). Волокна можуть бути безперервними і дискретними;

· за видом матеріалу матриці (металеві, керамічні, полімерні, вуглецеві);

· за схемою армування (для волокнистих матеріалів) -- з одновісним, двовісним, тривісним та багатовісним армуванням;

· за видом матеріалу зміцнювача (металеві частинки, металеві волокна і шари, вуглецеві, борні, скляні, органічні, керамічні волокна). Залежно від технології введення армувальних волокон у матрицю застосовують різні форми армувальних елементів -- нитки, джгути, стрічки, тканини.

У КМ на основі полімерних матриць як полімер використовують епоксидні, фенольні, поліуретанові, поліамідні смоли. Ці смоли мають низьку густину, невисоку температуру полімеризації, високу міцність і жорсткість, достатню адгезійну міцність з основними видами армувальних волокон, гарні технологічні властивості.

Як матеріали зміцнювачів застосовують високоміцні і високо жорсткі (з високим модулем пружності Е) волокна всіх перелічених вище типів залежно від умов роботи виробу. Ними можуть бути тонкий дріт, спеціально виготовлені волокна, вуса. Діаметр волокон змінюється від одиниць до декількох десятків мікрометрів.

У КМ з металевою матрицею основним матеріалом для матриць є сплави на основі Al, Mg, Ті, іноді нікелеві сплави. Як зміцнювач використовують вуглецеві волокна, нитки з карбіду кремнію, оксиди алюмінію, бору, тонкі дроти металів.

У КМ керамічного типу матрицею служать оксиди, нітриди, карбіди, інтерметаліди.

10. Наведіть приклади побудови композиційних матеріалів будівельного призначення: керамічні матеріали, скло та матеріали на основі мінеральних розплавів, металеві матеріали, матеріали на основі неорганічних в'яжучих речовин, матеріали на основі деревини

11. Приклади композиційної побудови матеріалів будівельного призначенняна основі бітумних і дьогтьових в'яжучих

З огляду на специфічні властивості органічних в'яжучих, бітуми і дьогті використовуються для одержання матеріалів і виробів спеціального призначення: гідроізоляційних, герметизуючих, антикорозійних і дорожніх.

Залежно від умов роботи будівельної конструкції застосовують різні види гідроізоляції з використанням бітумних матеріалів, у тому числі о к л е-ю в а л ь н у і обмазувальну.

Для виконання обклеювальної гідроізоляції застосовують рулонні покрівельні матеріали ,що можуть бути о с н о в н и м и ( руберойд, склоруберойд, фольгоруберойд, гідроізол) і б е з о с н о в н и м и (ізол).

Руберойд ( ДСТУ Б А.1.1.-15-94,ГОСТ10923) - рулонний матеріал, що виготовляється шляхом просочення покрівельного картону розплавленим легкоплавким бітумом з наступним покриттям з одного чи обох сторін тугоплавким нафтовим бітумом. Залежності від призначення руберойд підрозділяють на :

- покрівельний ( влаштування верхнього шару покрівельного килиму);

- підкладковий ( для нижнього шару покрівельного килиму і гідроізоляції будівельних конструкцій).

Руберойд випускають чотирьох марок: РКК-500А; РКК- 500Б и В ;РКМ-305Б и в ; РПМ і РПП -300А,Б; РКЧ-350 Б и В . У позначення марки руберойду: букви К и П - призначення руберойду ( покрівельний чи підкладковий); третя буква вказує на вид посипання (К- грубозерниста, М - дрібнозерниста, П- пилоподібна, Ч- луската). Число, що стоїть після буквеної інформації, показує масу 1 м 2 покрівельного картону.

Наплавлений руберойд - покрівельний матеріал, який наклеюють, не застосовуючи покрівельної мастики, розплавленням потовщеного нижнього покрівельного шару. При цьому поліпшуються умови праці й підвищується її продуктивність.

Склоруберойд(ГОСТ 15879) - рулонний покрівельний і гідроізоляційний матеріал. Одержують шляхом двостороннього нанесення бітумного в'яжучого на скловолокнисте полотно. Застосовують для покрівельного килиму й обклеювальної гідроізоляції.

Фольгоізол (ГОСТ 20429) - рулонний гнучкий і теплостійкий матеріал з тонкої рифленої алюмінієвої фольги, покритої з нижньої сторони шаром бітумно-гумового чи бітумно-полімерного сполучного, змішаного з мінеральним наповнювачами і антисептиком.

Гідроізол (ГОСТ7415)- безпокривний біостійкий рулонний матеріал, одержуваний просоченням азбестового паперу нафтовим бітумом, застосовується для гідроізоляції підземних споруд і плоских покрівель.

Ізол (ГОСТ 10296) - безосновний рулонний матеріал, отримуваний у результаті прокатки в полотнину гарячої пластичної маси, що складається з бітуму і бітумно-полімерного в'яжучого, наповнювача, дрібномолотих відходів гуми. Застосовується для паро-і гідроізоляції, має високу довговічність, міцність при розтягуванні, водопоглинання, еластичний при негативних температурах.

Пергамін (ГОСТ 2697)- рулонний покрівельний матеріал на основі картону, просоченого нафтовим бітумом з температурою розм'якшення 400 С . Він є підкладковим матеріалом під руберойд і використовується для пароізоляції. Пергамін не має покривного шару бітуму і посипання.

Лінкром (ТУ5774-002-13157915-98)- покрівельний й гідроізоляційний матеріал для влаштування покрівель дахів із невеликим нахилом, а також для гідроізоляції фундаментів будівель і споруд . Складається з міцної основи , яка не гниє ( склотканина, склохолст, поліефірне полотно), на яку з обох сторін наносять бітумну масу. Нижня сторона лінкрому закрита лекгоплавкою полімерною плівкою, верхня- плівкою або мінеральною посипкою. Гарантійний термін служби- більше 20 років.

Уніфлекс (ГОСТ 2678) - рулонний покрівельний і гідроізоляційний матеріал, призначений для влаштування покрівельного килиму будівель та споруд різного призначення, гідроізоляції фундаментів, мостів , тунелів. Має основу зі склотканини, нетканого полієфірного полотна. З обох сторін покривається модифікованою полімерно-бітумною сумішшю(стирол-бутадієн, стирол-бітум). Міцність уніфлексу при розтягу в разі використання як основи склотканини - до 8 Мпа, склополотна- до 6Мпа, абсолютна водонепроникність, температура розм'якшення - + 100 С . Модифікатором бітуму є каучук стирол-бутадієн-стирол (СБС).

Техноеласт(ТУ 5774-003-00287852-99) - рулонний матеріал, призначений для влаштування покрівель із невеликим нахилом, а також для гідроізоляції, коли ставляться підвищені вимоги щодо надійності й довговічності. Має основу, просочену бітумом, модифікований штучним каучуком СБС. Легко вкладається в холодний період року і не стає надто м'ягким у теплу, сонячну погоду, при охолодженні до температури до -25 оС має гнучкість, температура розм'якшення становить 110…115 о С, міцність при розтягу на основі склотканини- 8МПа, на основі поліефірної тканини - МПа.

Толь ( ГОСТ 10996) - рулонний матеріал, який одержують просоченням і покриттям покрівельного картону кам'яновугільними чи сланцевими дьогтями без посипання із посипанням мінеральною крихтою. Використовують як підкладковий матеріал для влаштування богатошарових покрівель, для паро- і гідроізоляції, для покрівель тимчасових споруд, гідроізоляції фундаментів.

Фарбувальна гідроізоляції виконується з використанням покрівельних і гідроізоляційних мастик.

Мастиками називають пластичні штучні суміші органічних речовин з мінеральними заповнювачами і добавками. Залежно від вихідного в'яжучого мастики бувають:

- бітумними;

- бітумно-гумовими;

- дьогтьовими і т.д.

З метою полегшення нанесення складу на поверхню, що захищається, мастику розігрівають (гаряча мастика ) або вводять органічний розчинник (холодна мастика). Найбільше застосування в будівництві для виконання покрівлі і гідроізоляції будівельних конструкцій знайшли наступні мастичні склади: МБК-Г-55( 65, 75, 85, 100) - бітумна покрівельна гаряча з теплостійкістю 55-1000С, МБР-Г-55( 65, 75, 85, 100) - бітумна з наповнювачем з гумової крихти; МББГ-90(80) - гаряча битумно-бутимно-каучукова. Холодні мастики , як правило, містять органічний розчинник, добре склеюють бітумні і рулонні матеріали між собою, приклеюють їх до поґрунтованої основи. Найбільш поширена холодна бітумна мастика марки МБК-Х-1. До недоліків гарячих мастик відносяться їхня нестабільність, велика витрата енергії на виробництві, низькі експлуатаційні властивості при атмосферних впливах. При роботі з холодними мастиками випаровується шкідливий для здоров'я людини розчинник. У сучасному будівництві все більшу популярність здобувають бітумно-емульсійні мастики, що являють собою рівномірно розподілені у воді дрібні частки бітуму, покриті шаром твердого чи рідкого емульгатора. Ці мастики екологічно нешкідливі, гігієнічні, пожежо - і вибухобезпечні.

12. Загальна класифікація композиційних матеріалів будівельного призначення

Будівельні композиційні матеріали можуть бути класифіковані за походженням, призначенням, складом (з урахуванням виду в'яжучої речовини, розмірів та виду армуючих компонентів), технологіями отримання та способами твердіння, наприклад:

за походженням: композити природні і синтезовані людиною;

-за призначенням: конструкційні, ізоляційні, оздоблювальні та

композити, що мають спеціальні фізичні і хімічні властивості;

-за типом матриці: неметалеві (полімерні, керамічні, скляні), металеві, напівпровідникові;

за формою та розміром компонентів, що використовуються для армування: порошки, частинки, гранули (дисперсне армування); волокна; пластини; тримірні каркаси;

за видом армувального компонента композиційні матеріали можуть бути макродисперсними (порошкові, зернові) -- фарби, розчини, бетони; волокнистими -- вироби на основі мінеральної вати, армоцементи, фібробетони; шаруватими (пластинчастими) -- фанера; скелетними -- залізобетонні вироби;

за структурою та розташуванням компонентів можна виділити макроскопічно ізотропні -- дисперснозміцнені матеріали і ха- отичноармовані короткими (дискретними) частинками голчастої форми (короткі волокна, ниткоподібні кристали -- вуса), що орієнтовані у просторі випадково (при цьому композиційні матеріали є анізотропними у мікрооб'смі, але ізотропними в об'ємі виробу); анізотропні матеріали, в яких волокна (пластини) орієнтовані у визначеному напрямку;

9. за методами отримання (технологічними прийомами, що забезпечують кінцеву форму матеріалу): рідко- та твердофазні. Рідко- фазні методи -- це імпрегнація (просочування) та спрямована кристалізація розплавів, а твердофазні -- пресування, прокатування, екструзія, штампування, ковка, ущільнення вибухом або іншими динамічними методами. Як методи отримання можна також виділити методи осадження (або напилення) і різні комбіновані способи.

Номенклатура композиційних будівельних матеріалів досить різноманітна. Серед композиційних матеріалів останнього покоління особливу увагу заслуговують полімерно-цементні композити, бетонні полімерні композити й фібробетони, бетони з мікронаповнювачами. Приклади композиційної будови матеріалів будівельного призначення наведені в табл. 1.1.

Будівельні композиційні матеріали можуть бути класифіковані залежно від їх:

- походження;

- призначення;

- складу (з урахуванням виду в'яжучої речовини, розмірів і виду армуючих компонентів);

- технології одержання;

- способу твердіння.

За походженням композити бувають природні й синтезовані штучно;

За призначенням композити ділять на: конструкційні; ізоляційні; оздоблювальні; зі спеціальними фізичними й хімічними властивостями.

За типом матриці композити бувають неметалічні (полімерні, керамічні, скляні), металеві, напівпровідникові.

За формою й розміром компонентів, які використовують для армування: порошки, часточки, гранули (дисперсне армування); волокна; пластини; тривимірні каркаси.

За видом армуючого компонента розрізняють:

- макродисперсні (порошкові, зернисті) - фарби, розчини, бетони;

- волокнисті - вироби на основі мінеральної вати, армоцементи, фібробетони;

- шаруваті (пластинчасті) - фанера;

- кістякові - залізобетонні вироби;

За структурою й розміщенням компонентів:

1) дисперснозміцнені матеріали;

2) хаотично армовані короткими (дискретними) часточками голчастої форми (короткі волокна, нитковидні кристали), які орієнтовані в просторі випадково.

За методом одержання: рідко- і твердофазові.

Рідкофазові методи - це імпрегнація (просочування) і спрямована кристалізація розплавів.

Твердофазові - пресування, прокат, екструзія, штампування, кування, ущільнення ударом або іншими динамічними методами.

Окремо можна також виділити метод осадження (або напилювання) і інші комбіновані способи.

Додатково композити на основі матриць, утворених за рахунок використання різних видів в'яжучих, можна класифікувати як матеріали, отримані на основі органічних і неорганічних в'яжучих систем і, відповідно, розглядати їх як портландцементні, глиноземисті, шлаколужні, полімерцементні, полімерні та ін.

Використання цементу як матриці в композиційних матеріалах (бетонах, розчинах, залізобетоні тощо) надає їм ряд переваг, серед яких:

- низька енергоємність виробництва (наприклад, у порівнянні з металами);

- технологічність (простота виготовлення й можливість твердіння при нормальних умовах або в умовах тепловологої обробки).

Незважаючи на відзначені переваги, ці матриці мають недоліки, пов'язані з їхніми фізико-хімічними характеристиками, в тому числі - низьку міцність при розтяганні й вигині, крихкість.

З урахуванням елементів, які використовують для армування, композиційні матеріали будівельного призначення можуть бути позділені на 6 класів:

• матричні (без наповнювача) або «матриця в матриці» - клеї, ґрунтовки, лаки, емалі;

• дисперсно-армовані - отримані з використанням високодисперсного наповнювача (фарби);

• зміцнені заповнювачами різного ступеня дисперсності (бетони й розчини);

• армовані волокнами органічного й неорганічного походження - фіброко- мпозити, в тому числі - антикорозійні покриття на основі органічних в'яжучих і армоцемент;

• армовані волокнами й наповнювачами зернистої структури (розчини й бетони нового покоління);

• імпрегніровані (просочені) полімерами або іншими речовинами

13. Сучасні уявлення про формування структури та її роль в отриманні будівельних композиційних матеріалів із заданими властивостями. Структура, мікроструктура, мезо- та макроструктура

Вивчення дисципліни «Композиційні будівельні матеріали» базується, насамперед, на знаннях хімії - науки, що зв'язана з усіма іншими науками, як ніяка інша. Перетворення речовин - хімічні реакції - визначаються закономірностями їхнього протікання. Ці закономірності містять у собі знання щодо напрямку хімічних процесів (хімічна термодинаміка) і їх швидкості (хімічна кінетика). Однак самих термодинамічних і кінетичних знань для судження щодо можливості протікання хімічної реакції недостатньо. Необхідні знання про будову речовин - реагентів і продуктів реакції. Завдяки знанням в сфері будови речовини можна прогнозувати відносний вміст енергії в реагентах і продуктах реакції й шляхи перетворення реагентів у продукти, тобто механізм реакції.

Структура композиційних матеріалів може бути визначена як певне розміщення в просторі окремих структурних елементів (кристалів-новотворів, пор, наповнювачів і заповнювачів) з урахуванням їхнього кількісного співвідношення й характеру взаємодії між ними. Цілісність композиту і його властивостей забезпечуються взаємодією складових його структурних елементів різного масштабного рівня.

При аналізі структур будівельних матеріалів з урахуванням мас-штабного фактора, їх умовно розділяють на мікро-, мезо- й макроструктури. Структурними елементами можуть бути атоми, іони, молекули, тверді часточки різних розмірів (дисперсності), агрегати часточок, пори, тобто порожнечі між часточками, заповнені рідкою або газоподібною фазою. Часточки - це найменші кількості речовини, які можна одержувати механічним шляхом (диспергуванням) або фі- зико-хімічними засобами. Агрегати часточок утворюються внаслідок їхнього злипання, зокрема, зі зростанням дисперсності й збільшенням поверхневої енергії, а також зрощування, наприклад, у процесі кристалізації.

Структуру матеріалів, у тому числі й композиційних, їхні загальні ознаки й особливості можна розглядати на різних рівнях, залежно від розмірів структурних елементів (І). Виділяють чотири рівні структури будівельних матеріалів:

- атомно-молекулярний (І < 10-9 м);

- субмікроскопічний (І = 10-9...10- м);

- мікроскопічний (І = 10-7.. .10-4м);

- макроскопічний (І > 10-4 м).

2.3. Мікроструктура матеріалів

На мікрорівні вивчають такі елементи структур матеріалів, які можна виявити за допомогою оптичного або електронного мікроскопа. Їхні розміри 104 7

...10- м. Вони характерні для елементів мікрогетерогенних систем. Для бетонів

- це елементи структури цементного каменю й контактного шару, кераміки - кристалічні й склоподібні фази.

До типових мікрогетерогенних систем належать порошки, суспензії, емульсії й піни. Для мікрогетерогенних систем, на відміну від колоїдних, броунов- ський рух не є характерним. Часточки в таких системах переміщаються під впливом ваги, тому вони седиментаційно нестійкі.

Порошок можна розглядати як дисперсну систему, дисперсійним середовищем у якій служить повітря. Зменшення розмірів зерен у порошку нижче критичного рівня, викликає його злипання й гранулювання. Гранулювання порошків відбувається, завдяки зменшенню поверхневої енергії системи при злипанні часточок. Активізації цього процесу сприяє змочування поверхні твердої фази рідиною. Це забезпечує утворення на межі розділу фаз прошарку з підвищеною в'язкістю, що збільшує адгезійну взаємодію.

За формою в порошкоподібних матеріалах розрізняють ізометричні (кулясті, багатогранні) і неізометричні (волокнисті або у вигляді голок, пластинчасті й т.п.) зерна. Існує багато перехідних форм зерен. Неізометричність зерен впливає на їхнє розташування в просторі й призводить до анізотропності властивостей порошків.

Важливе практичне значення мають особливості поверхні зерен, які визначаються способами й умовами їхнього одержання. У найпростішому випадку кулясті зерна, залежно від характеру їхнього просторового розташування (кубічне, ромбоедричне, гексагональне), стосуються сусідніх зерен в 6, 8 або 12 точках. При цьому вільний простір між зернами (пустотність або міжзернова пористість) займає від 47,64 до 25,95 %. У реальних порошках загальна пористість у вільно насипному стані, включаючи власну пористість зерен, становить звичайно 50...80 %.

Суспензія й емульсія - це мікрогетерогенні системи, в яких тверда або рідка дисперсна фаза розподілена в рідкому дисперсному середовищі. У виробництві будівельних матеріалів суспензії широко використовують при одержанні сировинних шламів, шлікерів, розчинів. Концентровану суспензію називають пастою. Емульсії застосовують зокрема як лакофарбові матеріали.

Для забезпечення агрегативної стійкості суспензій і емульсій, тобто запобігання коагуляції (злипання крапель емульсії називають коалесценцією), потрібно, щоб їхні часточки були покриті оболонками з молекул дисперсійного середовища (сольватними оболонками). Змочуваність можна поліпшити, використовуючи добавки поверхнево-активних речовин (ПАР). Стабілізації системи сприяє утворення навколо мінеральних часточок подвійного електричного шару іонів.

На практиці в деяких випадках необхідно викликати прискорений розпад емульсії. Із цією метою використовують речовини, які мають високу поверхневу активність, але при цьому не утворюють міцних плівок в адсорбційних шарах (деемульгатори). Як будівельний матеріал широко застосовують емульсії на основі органічних в'яжучих речовин - бітуму, дьогтю, полімерів і т.п.

До піни відносять висококонцентровану систему, в якій дисперсна фаза - газ, а дисперсійне середовище - рідина. Для одержання стійкої піни використовують піноутворювачі - високомолекулярні речовини, мило та інші сполуки, які мають високу поверхневу активність. Основні показники піни: кратність, дисперсність і стійкість.

Кратність піни - це відношення її об'єму до об'єму рідкої або твердої фази, що утворює стінки пухирців. В будівельних матеріалах використовують піни із кратністю 5...10. Для іншої мети (наприклад, для гасіння пожежі), використовують піни із кратністю 90 і більше.

Стійкість піни вимірюють строком її існування й залежить від міцності плівок.

Піну, як і інші дисперсні системи, можна одержати двома шляхами: конденсаційним - об'єднанням дуже дрібних пухирців у більші, та дисперсійним - здрібнюванням великих пухирців і газових включень.

На мікроструктурному рівні вивчають також в'яжучу частину різних конгломератів. Цементуючі речовини, які тверднуть за рахунок хімічної взаємодії з водою або водяними розчинами, представлені гідратними новотворами, а синтетичних в'яжучих на органічній основі - отверділими полімерами. Гідратні новотвори цементного каменю (за класифікацією О.Е. Шейкіна), залежно від їхньої дисперсності, можна розділити на три групи: колоїдні - менше ніж 10-6 м (тоберморітовий гель); субмікрокристалічні - 10'6...10'5м (до складу яких входять А1 , Бе , 804 "); мікрокристалічні - понад 10' м (представлені в основному Са(ОН)2). Субмікрокристалічні й мікрокристалічні новотвори становлять кристалічний зросток. Мікрофотографії цементного каменю показують, що кристалічний зросток заповнюється гелеподібними продуктами гідратації. Особливості мікроструктури матеріалів істотно залежать від кількості наповнювачів, їхньої дисперсності, фізико-хімічної активності поверхні.

Наповнювачі - це високодисперсні компоненти матеріалів, які самостійно не утворюють структуру твердіння, але активно впливають на її формування разом із цементуючими речовинами. Для композиційних будівельних матеріалів на основі мінеральних в'яжучих наповнювачі утворюють первинні адгезійні контакти на стадії формування коагуляційної структури, які переходять у необоротні контакти зрощення. Наповнювачі, зменшуючи енергію на поверхні розділу фаз, прискорюють тим самим кристалізацію новотворів. Вони також можуть вступати в хімічну взаємодію із продуктами гідратації в'яжучого й збільшувати в такий спосіб обсяг новотворів. Перехід в'яжучих речовин у наповнених системах від об'ємного стану до тонкоплівкового дає можливість істотно поліпшити їхні технічні властивості й зменшити витрати.

Мікроструктурам конгломератних матеріалів властива значна неоднорідність. Часточки в'яжучого й наповнювачів утворюють агрегати - кластери різних розмірів. При оптимальних розмірах зерен і їхньому співвідношенні відбувається взаємопроникнення кластерів і їхнє зрощення, внаслідок чого міцність структури зростає.

Найважливішими елементами мікроструктури матеріалів, що визначають їхні властивості, є пори. Найдрібніші пори (ультрамікропори) виникають внаслідок анізотропії властивостей кристалів і часточок конденсаційних структур, а також їхньої випадкової орієнтації в просторі в процесі росту. Прикладами таких пор є пори в часточках гідратованого цементу (так звані гелеві пори), розмір яких становить (15...30)10- м. Вода в них знаходиться під сильним впливом поля сил стінок пор. З цієї причини багато її властивостей (густина, в'язкість, теплопровідність тощо) мають аномальний характер. Більш крупні пори синтетичних матеріалів можуть мати різне походження. Вони виникають внаслідок нещільної укладки суміші, защімлення повітря, випару залишкової води, деструктивних процесів вилуговування, дегідратації, вивітрювання і т.п..

Пори можна розділити на дві групи: капілярні й некапілярні. У капілярних порах поверхня рідини здобуває форму, обумовлену силами поверхневого натягу. Мікрокапіляри (г < 0,1 мкм) в результаті характерного для них ефекту капілярної конденсації, можуть бути повністю заповнені рідиною за рахунок поглинання її з вологого повітря, за своїми розмірами відповідають субмікроскопічному рівню структури.

Макрокапіляри (1,0 > г >0,1 мкм) можуть бути заповнені рідиною тільки у випадку безпосереднього контакту з нею, причому вони не тільки не адсорбують вологу з повітря, а навпаки, віддають її в атмосферу. За своїми розмірами макрокапіляри відповідають мікроскопічному рівню.

Для оцінки впливу структури на властивості матеріалів використовують поняття пористості. Інтегральними параметрами порового простору служать істинна, відкрита й умовно-замкнута пористість, при цьому розрізняють пори за їхніми розмірами, формою, походженням і т.п. Типи пористих структур цементного каменю (за Ф.М. Івановим) зображені на рис. 2.10.

г) схема структури цементного каменю.

Існує ряд методів визначення пористості й структури порового простору. Для визначення ультрамікропор застосовують, наприклад, метод адсорбції гелію, мікропор - методи електронної мікроскопії, адсорбції азоту й метанолу, макропор - ртутну порометрію.

Макроструктура матеріалів

На макроскопічному рівні структуру матеріалів розглядають, якщо розміри часточок становлять понад 10-4 м. Такий тип структури вивчають неозброєним оком або при незначному збільшенні. При цьому можна визначити особливості будови дефектів матеріалів, обумовлених процесами їх формування, виробництва й експлуатації, наприклад, дефекти ливарного походження в металах, пороки деревини, пухирці й сторонні включення в склі, тріщини й раковини в бетоні. Вивчення макроструктури композиційних матеріалів конгломератного типу дає можливість визначати відносну кількість в'яжучого і заповнювачів, їхній розподіл, а іноді й мінералогічний склад, розмір і форму зерен, характер поверхні, форму й кількість макропор і т.п.

У ряді випадків складні багатокомпонентні структури можна звести на ма- крорівні до двохкомпонентних. Наприклад, макроструктуру бетону можна розглядати як систему «цементний камінь - заповнювач» (іноді під макроструктурою бетону розуміють систему «цементно-піщаний розчин - щебінь»), а макроструктуру ситалів - як систему «склоподібне в'яжуче - кристалічний наповнювач». Конгломератні двохкомпонентні структури, представлені на рис. 2.11, ро зділяють на три групи залежно від ступеня розсунення зерен заповнювача (за І.М. Грушко

Якщо структура матеріалу з базальтовою цементацією, то зерна заповнювача не утворюють контакти між собою, вони як би плавають у сполучній масі. Властивості матеріалу за такої макроструктури обумовлені переважно властивостями матричної частини. Заповнювачі ж, діючи як концентратори напруги, можуть погіршувати механічні властивості всього конгломерату.

У міру насичення структури зернами заповнювача утворюється щільний каркас, склеєний тонким прошарком штучного або природного в'яжучого. Таку структуру називають поровою. Вона сприятлива як з погляду витрати в'яжучої речовини, так і забезпечення конгломерату необхідних технічних властивостей.

Контактна структура характеризується максимальним насиченням матеріалу заповнювачем, коли в'яжучого недостатньо для заповнення порожнеч між зернами заповнювача і навіть (у ряді випадків) для утворення суцільної оболонки на їхній поверхні.

За ступенем рівномірності розподілу зерен виділяють рівномірно- і нерівномірно-зернисті структури. Типовими різновидами нерівномірно-зернистих структур є порфірові структури, які характеризуються наявністю в матеріалі склоподібної або тонкозернистої основної маси, в якій розсіяні окремі великі кристали - вкраплення.

14. Композиційні матеріали спеціального призначення в будівництві отриманні шляхом варіювання складом та структурою. Конструкційні, гідорізоляційні, покрівельні та герметизуючі

Структура композиційних будівельних матеріалів із часом змінюється під впливом процесів, обумовлених як внутрішньою їхньою природою, так і навколишнім середовищем. Ці процеси можуть бути конструктивними, поліпшуючими структуру й властивості матеріалу, і деструктивними. Так, розвиток новотворів у процесі гідратації підвищує міцність бетонів, поліпшує ряд інших властивостей, але (разом з тим) під впливом агресивних факторів навколишнього середовища відбуваються корозійні процеси, які мають руйнівний характер. На розвиток деструктивних процесів впливають дефекти структури матеріалів - відкриті великі пори, тріщини і т.п. Найнебезпечнішими порами є капіляри, заповнені водою.

Крім пор, важливими структурними елементами бетону, що визначають його фізико-механічні властивості, є тріщини. Тріщини мають внутрішні поверхні розділу. У реальному матеріалі завжди є велика кількість мікротріщин, що виникають внаслідок технологічних або експлуатаційних причин. Тріщини характеризуються довжиною, шириною розкриття, радіусом устя, фронтом, морфологією площин, що їх утворюють. Тріщини виникають внаслідок механічної, електрохімічної, термічної або іншої обробки матеріалу. За походженням тріщини розділяють на: силові, усадочні, температурні, корозійні. Тріщини істотно знижують міцність матеріалів і сприяють проникненню агресивних агентів. Особливо небезпечні тріщини в крихких матеріалах і в конструкціях, що піддаються циклічному навантаженню. Для структури бетону характерні такі особливості:

- високий ступінь неоднорідності;

- паралельно-послідовний (змішаний) характер;

- нерівноважність, обумовлена процесами, що протікають у часі й взаємодії з навколишнім середовищем.

Структура бетону впливає на його властивості. Для бетону характерний ряд структурних груп, серед яких розрізняють: щільну структуру, що характерна для звичайних важких бетонів; структуру з пористим заповнювачем - для легких бетонів; ніздрюваті - для крупнопористих бетонів, газо- і пінобетону (рис. 2.12).

15. Композиційні матеріали спеціального призначення в будівництві отриманні шляхом варіювання складом та структурою. Теплоізоляційні, акустичні (звукоізоляційні, звукопоглинільні)

Методи оцінки складу й структури композиційних матеріалів. Хімічні та структурно механічні методи.

Залежно від складності структури речовини, стану, в якому вона перебуває, і відповідного рівня технології, методи, які використовують при цьому, розділяють на:

- хімічні;

- структурно-механічні;

- фізико-хімічні, у тому числі електрохімічні (потенціометрія, кондуктометрія); термоаналітичні (диференціальний термічний аналіз, калориметрія); рентгенівські (рентгеноструктурний і рентгенофазовий); спектральні (молекулярна спектроскопія, фотоелектричний метод, фотометрія полум'я, спектрофотометрія електронного і ядерного магнітного резонансу, інфрачервона й ультрафіолетова спектроскопія); оптичні (світлова мікроскопія, мікроскопія у відбитому світлі, рефрактометрія, електронна й растрова мікроскопія).

Хімічні методи (у тому числі методи аналітичної хімії) відіграють важливу роль при дослідженні будівельних матеріалів. Оцінку хімічного складу речовин виконують на основі повного хімічного аналізу й передбачає встановлення кількості оксидів кремнію, алюмінію, заліза, магнію, кальцію та інших складових елементів.

Структурно-механічні методи використовують на різних стадіях виготовлення в'яжучих речовин, коли виникає потреба визначення властивостей пластично-грузлих тіл (рідко- або твердоподібних), які займають проміжне місце між рідиною й твердим тілом. Подібні тіла мають здатність до структуроутворення й залежно від ступеня розвитку й міцності структури, наближаються за своїми властивостями до твердих або рідких тіл.

Для визначення структурно-механічних властивостей структурованих систем використовують методи пластометрії й віскозиметрії.

Пластометрію використовують для дослідження пластичної міцності. Використання пластометрів різної конструкції дозволяє реєструвати структурно- механічні характеристики речовин у широкому діапазоні зміни їхньої в'язкості. Використовуючи пластометрію під час дослідження, наприклад, процесу твердіння, можна спостерігати процеси переходу коагуляційної структури до коагу- ляційно-кристалізаційної та кристалізаційної, яким відповідають сингулярні точки на кінетичних кривих зміни пластометричної міцності (пластограма). Аналіз цих кривих дозволяє вибирати час для проведення відповідних технологічних операцій з метою одержання оптимальної структури матеріалу.

На основі даних структурної в'язкості й граничної напруги зрушення суспензій і шламів можна робити висновки щодо їхньої стабільності, схильності до розшаровування й придатності до тривалого транспортування.

Віскозиметрія передбачає дослідження в'язкості розплавів, розчинів і дисперсій різної концентрації й виконується за допомогою віскозиметрів, з яких найбільше поширення мають капілярні й ротаційні.

16. Фізико-хімічні методи оцінки складу структури та властивостей будівельних матеріалів

Електрохімічні методи набувають все більшого значення при дослідженні будівельних матеріалів. Ці методи ґрунтуються на електрофізичних і електрохімічних явищах у відновному середовищі або на міжфазових межах розділу, які виникають внаслідок зміни хімічного складу, концентрації або структури речовин.

Потенціометричний метод базується на вимірі різниці напруги, що виникає при зануренні електродів у розчин. За допомогою потенціометрії можна вивчати корозію арматури в залізобетоні, але найчастіше цей метод використовують для вивчення величини рН як суспензій, так і цементних паст. Реєстрація зміни величини рН дозволяє визначати час тужавлення в'яжучих речовин, спостерігати за процесом гідратації, оцінювати корозійну стійкість цементів в агресивному середовищі і швидкість корозії арматури й заповнювачів.

Кондуктометричний метод -- це метод визначення електропровідності електролітів (систем з іонним типом провідності, які представлені водними й неводними розчинами, колоїдними системами, суспензіями, пастами, розплавами). Кондуктометричний аналіз дозволяє не тільки визначати електропровідність колоїдних систем (наприклад, в'яжучих речовин, скла, шламів), але може бути використаний при вивченні ступеня насичення капілярно-пористих тіл або кінетики процесів гідролізу, гідратації й розчинення, які мають місце при твердінні в'яжучих речовин. Вимірюючи електропровідність, можна контролювати процеси прискореного твердіння будівельних матеріалів (наприклад, під час пропарювання або автоклавної обробки).

Потенціостатичний метод використовують при дослідженні корозії металів (наприклад, корозії сталі у залізобетоні). При проведенні по- тенціостатичного аналізу використовують триелектродний електрохімічний вимірювальний осередок, у якому досліджуваний об'єкт є робочим електродом. Як додатковий використовують пластиковий електрод, за допомогою якого на робочий електрод подається розгорнення за заданим законом. Як електрод порівняння використовують насичений хлорсрібний або каломельний електроди. Швидкість корозії визначають за густиною анодного струму при розгорненні потенціалу на дослідженому робочому електроді. На базі цього методу розроблено кількісний метод визначення корозійної стійкості арматурної сталі в залізобетоні, при якому можна одержати лінійну швидкість зношування (корозії) матеріалу (у мм/год), а також питому вагову швидкість корозії (у мг/м год). Об'єктами потенціостатичних досліджень можуть бути не тільки електропровідні будівельні матеріали, але й капілярно-пористі, які здатні поглинати електроліти.

Електрокінетичний метод дослідження будівельних матеріалів пов'язаний з визначенням величини потенціалу й аналізом характеру його зміни. За результатами цього аналізу можна робити висновок щодо рухливості й пластичності цементних паст, що твердіють, про періоди коагуляції й тужавлення, про дифузійну проникність цементного каменю й механізм його розширення, про реологію в'яжучих речовин.

17. Властивості будівельних матеріалів з позиції їх здатності певним чином реагувати на вплив окремих або сукупних зовнішніх та внутрішніх факторів. Фізичні властивості

Істина та середня густина, пористість, вологість, водопроникність, морозостійкість.

Істинна густина (або просто густина) р -- границя відношення маси матеріалу т до об'єму V, коли об'єм стягується в точку, в якій визначають густину тіла (тобто без урахування наявних у ньому пустот і пор):

Таким чином, істинна густина -- це маса одиниці об'єму матеріалу в абсолютно щільному стані.

Майже всі будівельні матеріали мають пористу будову, за винятком; скла, кварцу, ситалу, сталі та деяких інших, які можна вважати «абсолютно» щільними. Тому, щоб визначити «абсолютний» об'єм випробовуваного матеріалу, його висушують до сталої маси й тонко подрібнюють. Одержаний порошок засипають у спеціальний прилад, заповнений інертною рідиною (водою або бензином, гасом тощо, якщо матеріал реагує з водою), і за об'ємом витісненої ним рідини встановлюють «абсолютний» об'єм матеріалу Vа.

Істинна густина в такому разі, г/см3,

Для рідких та в'язких будівельних матеріалів (рідке скло, розчини хімічних добавок тощо) с визначають за допомогою ареометра, занурюючи його в рідину й фіксуючи за шкалою показник істинної густини.

Показник с-- довідкова величина, яка має допоміжне значення для будівельних матеріалів і звичайно застосовується для деяких розрахунків.

Середня густина рт -- фізична величина, яка визначається відношенням маси т тіла або речовини до всього зайнятого ним (нею) об'єму V, включаючи пори та пустоти: рт = т/У.

Середня густина найчастіше вимірюється в кілограмах на кубічний метр (кг/м3), проте можна також використовувати одиниці г/см3 і т/м3. У разі потреби середню густину встановлюють для матеріалів, 'що перебувають у будь-якому стані: зволоженому, повітряно-сухому або сухому (тобто висушеному до сталої маси).

Визначаючи середню густину, масу випробуваного матеріалу встановлюють зважуванням, а об'єм для зразків правильної геометричної форми -- звичайним вимірюванням, неправильної форми (для пористих матеріалів--після покриття тонким шаром парафіну або повного «насичення водою) -- в об'ємомірі за об'ємом витісненої інертної рідини.

ПористістьП -- це ступінь заповненості об'єму будівельного ма- , теріалу порами розміром не більше 1...3 мм. Пористість обчислюють за формулою

У сумі пористість П та коефіцієнт щільності Кщ дають одиницю, або 100 %.

Пористість є важливою характеристикою, оскільки з нею пов'язані такі технічні властивості матеріалу, як міцність, водопоглинання, морозостійкість, теплопровідність тощо. Легкі пористі матеріали мають звичайно невелику міцність, щільні (П = 0...0.8 %) -- водонепроникні.

Проте крім кількості пор у матеріалі на його властивості істотно впливає також характер пористості. Матеріали можуть бути велико-пористими з розмірами пор від 1 * 10~ до 3 мм і дрібнопористими з розмірами пор 1 * 10_2...1 * 10~6 мм. Самі пори можуть бути закритими, тобто недоступними для заповнення водою, і відкритими.

Відкриту пористість Пв можна визначити відносно сумарного об'єму всіх пор, що насичуються водою, до загального об'єму матеріалу

де т2, т1 -- маса зразка відповідно насиченого водою і в сухому стані, г; V -- об'єм матеріалу, см3; рв = 1 г/см3 -- густина води при 4 °С.

Закрита пористість

Будівельні матеріали навіть із значною пористістю, але з великими або переважно закритими порами мають невелике водопоглинання і значну морозостійкість, тоді як матеріали з таким самим числовим показником пористості, але з відкритими порами не можуть застосовуватися в місцях з високою вологістю.

Значення пористості коливаються в широких межах, %: скло, сталь --0, цегла керамічна -- ЗО...40, граніт, ліпарит -- 0,2...0,8, важкий бетон -- 5.,..20, легкий бетон -- 35...85, поропласти -- 85...95.

Вологість Ш визначається вмістом вологи в порах і на поверхні пор матеріалу за масою або об'ємом в процентах, причому цей вміст значно менший за показник водопоглинання. Вологість матеріалу в будівельних конструкціях залежить від вологості навколишнього середовища, атмосферних явищ (дощ, танення снігу). Із зволоженням погіршуються теплозахисні властивості, морозостійкість та інші показники. Вологість матеріалу

одопроникність -- це здатність матеріалу пропускати .крізь себе воду при певному гідростатичному тиску. Ця здатність визначається кількістю води в кубічних метрах, що пройшла крізь одиницю поверхні матеріалу за одиницю часу при сталому (заданому) тиску. Водопроникність характеризується коефіцієнтом фільтрації /Сф, який ви-

мірюється в метрах за секунду й залежить від щільності матеріалу та його будови. До водонепроникних належать «абсолютно» щільні матеріали (наприклад, скло), а також практично водонепроникні матеріал» з дуже малими закритими порами (пінополістирол, газоскло).

Показник коефіцієнта фільтрації особливо важливий для матеріа-лів, застосовуваних у гідротехнічному будівництві, для водопроводів, каналізаційних систем, резервуарів, а також для покрівельних матеріалів.

Морозостійкість -- це здатність матеріалу в насиченому водою стані витримувати багаторазове навперемінне заморожування й відтавання без зниження міцності при стиску понад 15 % (для деяких матеріалів -- до 25 %) і втрати маси не більш як 5 %. Марка за морозостійкістю характеризується оптимальним числом циклів замо рзжувания -- відтавання, які витримує випробовуваний матераі. Наприклад, цеглу керамічну випускають марок Р15, Р25, Р35, Р50, дорожній бетон --Р50...Р200, а гідротехнічний бетон --до Р500 (цифри позначають число циклів).

Довговічність матеріалів у зовнішніх конструкціях, які в процесі

експлуатації зазнають дії води, змінних температур та інших атмос-

- .ферних факторів, значною мірою залежить від їхньої морозостійкості.

Руйнування матеріалів під дією води й морозу можна пояснити такими явищами. Зволоження, наприклад, зовнішніх стін відбувається як ізсередини внаслідок міграції пари від «тепла до холоду» і наступної її конденсації, так і іззовні -- дощ, сніг з вітром. Під дією морозів вода у великих порах замерзає, а як відомо, перетворення води на лід » супроводжується збільшенням об'єму приблизно на 9 %, що спричинюється до виникнення тиску на стінки пор, який становить 210 МПа при температурі --20 °С. При цьому в матеріалі з'являються внутрішні напруження, які можуть призвести до його руйнування, особливо, якщо коефіцієнт водопоглинання наближається до одиниці, тобто всі пори відкриті.

Щоб визначити морозостійкість, зразки матеріалу насичують водою, а далі піддають навперемінному заморожуванню при температурі --15...--20 °С і відтаванню у воді температурою +15. ..+20 °С до певного числа циклів, установленого нормативними документами, або до початку руйнування зразка.

Найбільш морозостійкими є щільні матеріали з низьким водопо-глинанням, однорідні за структурою і такі, що мають високий коефіцієнт розм'якшення. Управляючи капілярно-пористою структурою матеріалу в процесі виготовлення й застосовуючи поверхнево-активні речовини (ПАР), можна регулювати його морозостійкість. Пористі матеріали вважаються ще морозостійкими, якщо ступінь заповненості водою всіх доступних пор (відкриті пори) становить 80...85 %. Коефіцієнт розм'якшення морозостійких матеріалів має бути не нижчим ніж 0,9.

18. Теплопровідність Коефіцієнт теплопровідності. Які властивості будівельного матеріалу впливають на показники його теплопровідності. Теплоємність. Теплостійкість. Температурний коефіцієнт лінійного розширення

Теплопровідність -- це здатність матеріалу передавати теплоту від однієї поверхні до іншої за наявності різниці температур на цих поверхнях. Така здатність характеризується коефіцієнтом теплопровідності, Вт/(м * К),

Значення коефіцієнта теплопровідності залежить від ступеня пористості й характеру пор, структури, вологості, температури, а також від виду матеріалу. Найсильніше на теплопровідність впливає пористість. Чим менша середня густина матеріалу, тим більше в ньому пор, наповнених повітрям. З усіх природних та штучних речовин повітря має найменшу теплопровідність [А,ПОв = 0,023 Вт/(м * К)], тому коефіцієнт теплопровідності сухих легких пористих матеріалів невеликий і має проміжнедначення між Я твердої речовини та повітря.

Проте показник теплопровідності залежить не лише від кількості, а й від величини та форми пор. Будівельні Матеріали з дрідними й закритими порами менш.теплопровідні, тоді як матеріали з великими та сполученими порами характеризуються вищим коефіцієнтом теплопровідності, оскільки в таких порах виникає рух повітря, що супроводжується перенесенням теплоти (конвекція).

Слід враховувати, що матеріали одного й того самого походження, але різного структурного складу можуть мати різні коефіцієнти теплопровідності. Так, волокнисті матеріали мають неоднаковий коефіцієнт теплопровідності в різних напрямах. Наприклад, для соснової деревини, якщо тепловий потік напрямлений вздовж волокон, то X = = 0,19 Вт/(м * К), а якщо впоперек, то X = 0,44 Вт/(м * К). Теплопровідність кристалічних речовин вища, ніж аморфних. Наприклад, такі щільні мінеральні матеріали, як граніт і скло із середньою густиною майже 2700 кг/м3, значно різняться за коефіцієнтом теплопровідності: для граніту (кристалічний матеріал) X = 2,8 Вт/(м ¦ К), для скла (аморфний матеріал) X = 0,8 Вт/(м * К).

Зміна вологості будівельних матеріалів істотно позначається на їхній теплопровідності. Оскільки для води Кв = 0,58 Вт/(м * К)> тобто у 25 разів більше, ніж для повітря, то пори, заповнені водою, легше припускають тепловий потік, і коефіцієнт теплопровідності водо-насич^них матеріалів підвищується. Залежність X від вологості можна подати формулою

Теплопровідність насичених водою й заморожених матеріалів ще вища, оскільки теплопровідність льоду приблизно в чотири рази більша, ніж води: А-льоду = 2,3 Вт/(м * К). Отже, коли матеріали для_ теплової ізоляції використовуються в місцях з підвищеною вологістю, слід передбачити гідроізоляцію їх.

Певна зміна коефіцієнта теплопровідності відбувається також під дією температури, при якій передається тепловий потік. Цю зміну X можна подати формулою,

Зауважимо, проте, що виняток становлять метали, для яких з підвищенням температури коефіцієнт теплопровідності дещо знижується на відміну від інших видів будівельних матеріалів, де X підвищується. Це збільшення має велике значення для матеріалів, застосовуваних для теплової ізоляції пічних агрегатів, паропроводів тощо.

Теплопровідність будівельних матеріалів визначають у лабораторіях за допомогою спеціальних приладів та установок. Проте, врахувавши загальну залежність Я від рт і скориставшись емпіричною формулою проф В. П. Некрасова, можна орієнтовно визначити коефіцієнт теплопровідності для повітряно-сухих (з природною вологістю 1...7 %) матеріалів мінерального походження:

...