Состав – это качественная и количественная характеристика веществ, составляющих сырьевые материалы и готовые изделия
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Конспект лекций по изучению дисциплины
для студентов заочной и дистанционной форм обучения
специальностей 270102, 270105, 270115
высшего профессионального образования
Краснодар 2008
Составитель: канд. техн. наук, доцент О.С.Огурцов а
УДК
Рецензенты: д-р техн. наук, профессор В.Ф. Черных
канд. техн. наук, доцент Т.Д. Липницкая
Введение
Современное развитие строительного комплекса в России базируется на рыночных отношениях между организациями производителями и потребителями, а также на интеграции производителей с зарубежными фирмами. В настоящее время существенно возросли требования к качеству промышленной продукции для строительства – строительным материалам изделиям и конструкциям. Это вызвано жесткой конкуренцией на внутреннем и внешнем рынке в сфере строительной продукции.
Строительные материалы, изделия и конструкции при эксплуатации воспринимают те или иные нагрузки и подвергаются действию окружающей среды. Они должны обладать определенной прочностью, а также способностью сопротивляться физическим и химическим воздействиям среды: воздуха и содержащихся в нем паров и газов, воды и растворенных в ней веществ, колебаниям температуры и влажности, совместно воды и мороза при многократном замораживании и оттаивании и т.д. Исходя из условия работы материалов в сооружении, их можно разделить по назначению на две группы:
- конструкционные строительные материалы, применяемые для несущих конструкций;
- строительные материалы специального назначения - для защиты конструкций от воздействия окружающей среды, для повышения эксплуатационных свойств и создания комфортных условий.
Деление это условное, так как большинство материалов работают как несущие конструкции и одновременно защищают здания от воздействия окружающей среды, создают комфортные условия и т. д.
Чтобы правильно выбрать материал, спроектировать и построить сооружение надо хорошо знать свойства применяемых материалов. Свойства строительных материалов зависят от состава (вещественного, химического, минералогического и др.), химических связей и структуры материала. Изучением строения материалов в тесной связи с их свойствами занимается наука материаловедение. Знание строительного материаловедения поможет в понимании свойств материалов и в конечном итоге в решении практических вопросов, где и как применять тот или иной строительный материал, в каких условиях и как долго он будет сохранять свои эксплуатационные характеристики и от чего это зависит.
Материаловедение- наука, изучающая связь состава, строения и свойств материалов, а также закономерности их изменения при физико-химических, физических, механических и других воздействиях.
Тема 1. Составы и структура строительных материалов
Составы строительных материалов
Состав – это качественная и количественная характеристика веществ, составляющих сырьевые материалы и готовые изделия.
Различают несколько видов составов сырьевых материалов и готовых изделий: элементный (вещественный), химический, минералогический, фазовый, гранулометрический.
1.1 Элементный или вещественный состав,как совокупность химических элементов составляющих вещество.Элементный или вещественный состав определяет природу вещества, т.е. показывает, какой это материал – минеральный, органический или же имеющий сложный состав.
Например, в состав неорганических каменных материалов природных или искусственных (гранит, мрамор, кирпич керамический, бетон и др.) входят следующие химические элементы: кремний (Si), алюминия (Al), кальция (Ca), магния (Mg), железа (Fe), кислорода (O); органических (битум) - углерод (С); водород (Н), кислород (О), сера (S), азот (N).
1.2 Химический состав.Химический состав строительных материалов выражают по-разному. Например, химический состав неорганических материалов (цемент, известь, глина, стекло и др.) количеством содержащихся в них оксидов, %, металлов и сплавов – массовой долей элементов, %, битумов содержанием трех групп соединений: асфальтенов (с молекулярной массой 1000 – 5000), смол (с молекулярной массой 500-1000) и масел (с молекулярной массой 100 – 500), % и т.д.
Зная химический состав веществ или материалов, можно предполагать какими свойствами, они обладают (табл. 1, 2, 3). Например, высокое содержание кремнезема (SiO2) и низкое содержание оксида кальция (CaO) и глинозема (Al2O3) свидетельствует, что состав кислый, а глины легкоплавкие. Высокое содержание оксида кальция (CaO) свидетельствует о том, что состав сырья или материала имеет основный характер. Если химический состав включает аббревиатуру "ппп" (потери при прокаливании), это свидетельствует, что при воздействии на материал высоких температур теряется летучая, органическая составляющая и химически связанная вода (табл.1).
В табл. 2 представлен химический состав углеродистой и низколегированной стали. Физико-механические свойства арматурной стали зависят от химического состава (табл.3).
Примерный групповой состав битума:
Масла 40-60%
Смолы 20-40%
Асфальтены 10-25%
Карбены и карбоиды 1-3%
Асфальтеновые кислоты и ангидриды 1%.
Масла придают битумам подвижность, текучесть, увеличивают испаряемость, снижают температуру размягчения; смолы обуславливают растяжимость и эластичность битумов; содержание асфальтенов определяет температурную устойчивость, вязкость и твердость (хрупкость) битумов;
Таблица 1 Химические составы и характеристики некоторых материалов
| Материал | Химический состав, % | Характеристики | ||||||
| SiO2 | CaO | Al2O3 | Fe2O3 (+FeO) | MgO | другие оксиды | ппп | ||
| Глина | 53…81 | 0,5…15 | 7…23 | 3…6 | 0,5…3 | 1…5 | <15 | Легкоплавкие, |
| Глина | 50…70 | <2 | 18…30 | 3…3,5 | <1,5 | <5 | <4,4 | Тугоплавкие |
| Глина | 43…48 | 0,1…1,5 | 31…39 | 0,15…0,7 | 0,03…0,6 | 0,65…2,1 | 6…13 | Огнеупорные |
| Шлак доменный | 35…40 | 45…50 | 8…10 | 0,3…1 | - | 4…7 | - | Основной |
| Шлак доменный | 45…55 | 25…30 | 14…20 | 2…3 | - | 2,4…5,5 | - | Кислый |
| Портландцемент | 21…24 | 63…66 | 4…8 | 2…4 | - | 3..5 | - | Нормально твердеющий |
| Глиноземистый цемент | 5…10 | 35…43 | 39…47 | 2…15 | - | 1,5…2,5 | - | Быстро твердеющий |
Таблица 2 Химический состав углеродистой и низколегированной стали
| Марки | Массовая доля элементов, % | ||||||||||
| стали (класс) | Углерод | Марганец | Кремний | Хром | Титан | Цирконий | Алюминий | Никель | Сера | Фосфор | Медь |
| не более | |||||||||||
| Ст3 (А-I) | 0,14…0,22 | 0,40-0,65 | 0,15-0,39 | Не более 0,30 | - | - | - | Не более 0,30 | Не более 0,05 | Не более 0,04 | Не более 0,30 |
| Ст5 (А-II) | 0,28-0,37 | 0,50-0,80 | 0,05-0,15 | Не более 0,30 | - | - | - | Не более 0,30 | Не более 0,05 | Не более 0,04 | Не более 0,30 |
| 10ГТ (А-II) | Не более 0,13 | 1,00-1,40 | 0,45-0,65 | Не более 0,30 | 0,015-0,035 | - | 0,02-0,05 | - | 0,040 | 0,030 | 0,30 |
| 18Г2С (А-II) | 0,14-0,23 | 1,20-1,60 | 0,60-0,90 | Не более 0,30 | - | - | - | 0,30 | 0,045 | 0,040 | 0,30 |
| 32Г2Рпс (А-III) | 0,28-0,37 | 1,30-1,75 | Не более 0,17 | Не более 0,30 | - | - | 0,001-0,015 | 0,30 | 0,050 | 0,045 | 0,30 |
| 35ГС (А-III) | 0,30-0,37 | 0,80-1,20 | 0,60-0,90 | Не более 0,30 | - | - | - | 0,30 | 0,045 | 0,040 | 0,30 |
| 25Г2С (А-III) | 0,20-0,29 | 1,20-1,60 | 0,60-0,90 | Не более 0,30 | - | - | - | 0,30 | 0,045 | 0,040 | 0,30 |
| 20ХГ2Ц (А-IV) | 0,19-0,26 | 1,50-1,90 | 0,40-0,70 | 0,90-1,20 | - | 0,05-0,14 | - | 0,30 | 0,045 | 0,045 | 0,30 |
| 80С (А-IV) | 0,74-0,82 | 0,50-0,90 | 0,60-1,10 | Не более 0,30 | 0,015-0,040 | - | - | 0,30 | 0,045 | 0,040 | 0,30 |
| 23Х2Г2Т (А-V) | 0,19-0,26 | 1,40-1,70 | 0,40-0,70 | 1,35-1,70 | 0,02-0,08 | - | 0,015-0,050 | 0,30 | 0,045 | 0,045 | 0,30 |
| 22Х2Г2АЮ (А-VI) | 0,19-0,26 | 1,40-1,70 | 0,40-0,70 | 1,50-2,10 | 0,005-0,030 | - | 0,02-0,07 | 0,30 | 0,040 | 0,040 | 0,30 |
| 22Х2Г2Р (А-VI) | 0,19-0,26 | 1,50-1,90 | 0,40-0,70 | 1,50-1,90 | 0,02-0,08 | - | 0,015-0,050 | 0,30 | 0,040 | 0,040 | 0,30 |
| 20Х2Г2СР (А-VI) | 0,16-0,26 | 1,40-1,80 | 0,75-1,55 | 1,40-1,80 | 0,02-0,08 | - | 0,015-0,050 | 0,30 | 0,040 | 0,040 | 0,30 |
Таблица 3 Механические свойства арматурной стали
| Класс арматурной стали | Предел текучести  | Временное сопротивление разрыву  | Относительное удлинение  ,%  | Равномерное удлинение  , % | Ударная вязкость при температуре - 60 °С | Испытание на изгиб в холодном состоянии (с - толщина оправки, | |||
| Н/мм2 | кгс/ мм2 | Н/мм2 | кгс/мм2 | МДж/м2 | кгс·м/cм2 | d - диаметр | |||
| не менее | стержня) | ||||||||
| А-I (А240) | - | - | - | 180°; с = d | |||||
| А-II (А300) | - | - | - | 180°; c = 3d | |||||
| Ас-II (А300) | - | 0,5 | 180°; c = d | ||||||
| А-III (А400) | - | - | - | 90°; c = 3d | |||||
| А-IV (А600) | - | - | 45°; c = 5d | ||||||
| А-V (А800) | - | - | 45°; c = 5d | ||||||
| А-VI (А1000) | - | - | 45°; c = 5d |
1.3 Минералогический состав как совокупность природных или искусственных соединений (минералов). Минералы – природные или искусственные химические материалы, отличающиеся однородным составом и свойствами. Эта характеристика дает более полную информацию о материале. Зная минералогический состав можно отличить один материал от другого и предопределить не только физические и химические свойства сырья и материалов, но и более специфические характеристики, технологические свойства.
Например, такие горные породы как граниты обладают благоприятным для строительного камня минералогическим составом, отличающимся высоким содержанием кварца (25…30 %), полевых шпатов (55…65%) и небольшим количеством слюды (5…10 %).
Портландцемент – гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельчения клинкера с добавкой двуводного гипса (3-5 %).
В составе клинкера портландцемента преобладают такие минералы как:
- алит– 3CaO·SiO2 (или C3S) – самый важный минерал клинкера, определяющий быстроту твердения, прочность и др. свойства портландцемента, содержится в клинкере в количестве 45-60%;
- белит- 2CaO·SiO2 (или C2S) – второй по важности и содержанию (20-30 %) силикатный минерал клинкера. Он медленно твердеет, но достигает высокой прочности при длительном твердении портландцемента;
- целит - 3CaO·Al2O3 (C3A) – самый активный клинкерный минерал, быстро взаимодействует с водой, содержится в количестве 4-12%, является причиной сульфатной коррозии бетона;
- четырехкальциевый алюмоферрит - - 4CaO·Al2O3·Fe2O3 (C4AF) –характеризуется умеренным тепловыделением и по быстроте твердения занимает промежуточное положение между C3S и C2S, содержится в клинкере в количестве 10-20 %.
1.4 Фазовый состав как совокупность гомогенных частей системы, однородных по свойствам и физическому строению. Фазовый состав – структурная характеристика материала, сырья. Если структуру составляют несколько фаз, то между ними заметна линия или граница раздела. На микроуровне можно различить разнородные группы кристаллов и границу их раздела, кристаллов и стеклообразных соединений и площадь их контакта. Граница раздела предопределяет физические, химические и термические свойства материалов, веществ. На макроуровне рассматривают три основные фазы: твердую, жидкую и газообразную.
Например, фазовый состав материала и фазовые переходы воды, находящиеся в его порах, оказывают влияние на все свойства и поведение материала при эксплуатации. В материале выделяют твердые вещества, образующие стенки пор, т.е "каркас" материала, и поры заполненные воздухом и водой. Если вода замерзает, то образующийся в порах лед изменяет механические и теплофизические свойства материала, увеличение объема замерзающей воды вызывает внутренние напряжения, способные разрушить со временем материал.
1.5 Гранулометрический состав – сочетание в сыпучей смеси зерен либо гранул различных размеров и формы.Зерна по размерам по размерам подразделяют на группы (фракции). Гранулометрия рассматривает как свойства отдельных зерен, так и характеристики смеси в целом.
Каждое зерно характеризуется размером, формой, плотностью, химическим и минералогическим составом. В любой смеси имеются максимально крупные и минимально мелкие зерна, их определяется ситовым анализом. Для характеристики сыпучей строительной смеси в зависимости от средней величины зерен в ней используют следующие технические термины:
- мука – продукт тонкого помола, например, известняковая мука - известняковых горных пород;
- пыль – отсев, например, при ситовом анализе песка зерен размером менее 0,14 мм;
- порошок – специально подготовленная сыпучая смесь определенного состава;
- песок – мелкозернистая сыпучая смесь зерен с размерами св. 0,14 мм до 5 мм;
- гравий - неорганический зернистый сыпучий материал с зернами крупностью св. 5 мм, форма зерен окатанная;
- щебень - зернистый сыпучий материал с зернами крупностью св. 5 мм, форма зерен рваная;
- гравийно-песчаная смесь– сыпучая смесь, содержащая как песок, так и гравий;
- крошка, зерно - отдельная частица материала определенных формы и размеров;
- гранула – искусственно полученное зерно.
Для характеристики сыпучей смеси определяют зерновой состав, фракционный состав, удельную поверхность, сыпучесть, насыпную плотность, пустотность:
- зерновой состав – состав, содержащий зерна практически любых размеров и образующий непрерывную гранулометрию. Зерновой состав характеризуется в основном размерами зерен и их формой, например, основные размеры зерен песка речного кубанского от 0,14 до 0,63 мм, форма зерен окатанная;
- фракционный состав- состав смеси, в которой зерна, близкие по размерам, образуют фракции, прерывистую гранулометрию. Фракционный состав характеризуется размерами фракций и их количеством, например, фракционный состав щебня фракция 15-10 мм – 20 % , фр.10-20 мм – 40%, фр. 20-40 мм – 40%;
- удельная поверхность – суммарная поверхность зерен. Различают внешнюю удельную поверхность зерен и полную с учетом пористости зерен, м2/кг, см2/г, например, удельная поверхность цемента 2500-3000 см2/г;
- насыпную плотность – масса сыпучего материала в единице замкнутого объема:
ρнас.=m·/V, кг/м3 (г/см3),
где m – масса сыпучего материала, кг (г),
V – объем сыпучего материала, м3.
Например, насыпная плотность песка ρнас =1300 кг/м3 (песок кубанский речной), портландцемента – ρнас =3100…3300 кг/м3;
- пустотность – суммарный объем пустот, образующихся в результате свободной укладки сыпучего материала, отнесенный к его полному объему:
α = ∑Vп/Vсм,
где α – пустотность, ед. или %,
Vп – объем пустот, м3,
Vсм – полный объем смеси, м3.
Пустотность не зависит от размера зерен, а зависит от их формы, количества и размера фракций, а также от способов укладки смеси;
- сыпучесть – способность смесей растекаться при свободной укладке, формовании или складированию. Сыпучесть характеризуется углом естественного откоса, β. Угол естественного откоса зависит от размеров и формы зерен, состояния их поверхности, насыпной плотности и влажности сыпучей смеси. Угол естественного откоса некоторых сыпучих материалов:
щебень β = 40…45 град.;
гравий β = 35…40 град.;
песок:
крупный β = 30…35 град.;
средний β = 25…30 град.;
мелкий β = 25 град.
Сыпучесть гравия выше, чем щебня, благодаря более окатанной форме его кусков, а сыпучесть песка зависит от его крупности. С увеличением влажности сыпучесть мелкозернистых смесей, имеющих большую удельную поверхность, сначала уменьшается в большей степени, чем крупнозернистых, за счет вытеснения водой воздушных прослоек и уменьшения коэффициента трения смеси.
В технологии строительных материалов сыпучие смеси, используемые в качестве заполнителей, наполнителей, добавок т.д., оказывают существенное влияние на формирование заданной плотности или пористости структуры материала. Для получения плотной структуры необходимо использовать двух- или многофракционные смеси, так как пустоты, образующиеся между крупными зернами, заполняются зернами меньших размеров, увеличивая плотность, например, набор из трех различных рассчитанных фракций может дать плотность около 81 %, из 4-х и более фракций – до 85 % и выше. Однако практически высокую плотность сухой сыпучей смеси получить трудно по следующим причинам:
- форма зерен отличается от формы шара;
- зерна фракций различны по размерам.