От чего зависят свойства композиционных материалов

1. От структуры и свойств матрицы, если матрица имеет плотную структуру и высокую прочность, то и композиционный материал будет обладать высокими прочностными свойствами
и высоким коэффициентом конструктивного качества.

2. От агрегатного состояния второй фазы композиционного материала. Если вторая фаза находится в твердом состоянии, то композиционный материал будет обладать более высокими прочностными и деформационными свойствами. Если вторая фаза находится в жидком состоянии, то прочностные свойства композиционного материала будут снижаться, но будет повышаться электропроводность. Если вторая фаза будет находиться
в газообразном состоянии, то при этом будет снижаться средняя плотность композиционного материала и его прочность, но будет повышаться теплоизолирующая способность.

3. От дисперсности (размер частиц) второй и третьей фаз. Чем тоньше дисперсность, тем меньше неоднородность, тем выше прочность композиционного материала.

4. Свойства композиционных материалов зависят от силы взаимодействия матрицы с поверхностью второй и третьей фаз. Если матрица химически взаимодействует со второй и третьей фазами, то в этом случае свойства композиционных материалов будут повышаться. Если матрица будет соединяться со второй фазой только физическими силами, то прочность композиционных материалов будут снижаться.

Материалы, используемые для получения композиционных материалов

В качестве матрицы для получения композиционных материалов могут использоваться минеральные и органические вяжущие, керамика, горные породы и т.д. В качестве второй и третьей фазы могут использоваться воздух, волокна стекла, ткани, фольга, песок и т.д.

Бетоны

Бетоны являются наиболее распространенными и наиболее изученными композиционными материалами, которые используются в различных отраслях строительства. На бетоне можно проследить и изучить все основные закономерности присущие композиционным материалам.

В настоящее время наиболее распространенными являются следующие классификации бетонов.

1. В зависимости от средней плотности все бетоны подразделяют:

а) особо плотные, т.е бетоны которые имеют ρ_ср > 2500 кг/м³;

б) тяжелые, бетоны, котоые имеют ρ_ср =1800─2500 кг/м³;

в) легкие ρ_ср = 500─1800 кг/м³;

г) особолегкие ρ_ср < 500 кг/м³.

2. В зависимости от используемого вяжущего:

а) цементные бетоны (портландцемент, быстротвердеющий цемент, сульфатостойкий портландцемент, гидрофобный, пластифицированный, глиноземистый, расширяющийся, напрягающий, пуццолановый, шлаковый и другие цементы);

б) силикатные бетоны (известково-кремнезёмистые);

в) смешанные бетоны (цементно-известковые, известково-шлаковые);

г) асфальтовые бетоны (битумы в качестве вяжущего);

д) полимерные бетоны (полимерные материалы или их добавки);

е) специальные бетоны, применяемые при наличии особых требований (жаростойкий, химически стойкий, для защиты от радиации и т. д.).

3. В зависимости от назначения:

а) конструкционные бетоны, т.е. бетоны, применяемые для изготовления несущих строительных конструкций;

б) гидротехнические бетоны, т.е. бетоны, которые применяются для строительства гидротехнических сооружений (каналы, дамбы, оросительные системы, берегоукрепительные сооружения, мосты и т.д.);

в) кислотостойкие бетоны, т.е. бетоны, которые хорошо эксплуатируются при воздействии концентрированных минеральных кислот, например в химической промышленности;

г) жаростойкие бетоны, т.е. бетоны, которые выдерживают длительное воздействие высоких температур (> 500 ºС);

д) бетоны для защиты от радиоактивного излучения;

е) дорожные (асфальтовые);

ж) специальные.

Исходя из классификации бетонов, можно сделать вывод, что бетон может эксплуатироваться только в строго заданных условиях эксплуатации (в запроектированных условиях). Поэтому при проектировании бетона необходимо особое внимание уделить выбору исходных материалов для изготовления бетона, который будет эксплуатироваться в определенных условиях.

Цементные бетоны

Бетон – это искусственный материал, получаемый в результате формования и твердения рационально подобранной смеси, состоящей из минерального вяжущего вещества, мелкого и крупного заполнителей и воды. Иногда для улучшения каких-либо свойств применяют добавки.

Технико-экономические преимущества бетона:

1.Достаточно низкий уровень затрат на изготовление конструкций, т. к. используется местное сырьё;

2.Из бетона можно получить изделия любой сложной конфигурации;

3.Свойства бетона можно изменять в широких пределах и получать материал с заданными свойствами;

4.Быстрая технология изготовления.

Недостаток бетона:

Низкая прочность на растяжение (в 10–15 раз ниже, чем на сжатие), но этот недостаток устраняется в железобетонных конструкциях за счёт применения арматуры.

Материалы для тяжелых цементных бетонов

В правильно подобранной бетонной смеси расход цемента составляет 8–15%, а заполнителей 80–85%.

Вяжущее (цемент)

В качестве вяжущего могут использоваться все виды цементов. Выбирать цемент необходимо с учетом эксплуатации бетона. Вяжущее в бетоне является непрерывной фазой и называется матрицей.

Для тяжёлого бетона применяют портландцемент и его разновидности. Цемент испытывают, определяя его свойства по ГОСТу. Марку цемента назначают в зависимости от проектной марки бетона.

Мелкий заполнитель

Мелкий заполнитель представляет собой вторую фазу. В качестве мелкого заполнителя в тяжёлом бетоне применяют песок, состоящий из зёрен размером 0,16–5 мм. При выборе мелкого заполнителя необходимо, чтобы он отвечал следующим требованиям.

1. Требование по чистоте к песку:

Содержание в песке зёрен размером менее 0,16 мм должно быть не более 10%, при этой количество глинистых, илистых частиц должно быть не более 3% (определяется отмучиванием (промывкой)).

2. Ограничение по органическим примесям:

В природном песке содержатся органические примеси (их количество определяют колориметрическим способом). Песок считается пригодным, если 3%^ный раствор едкого натра ( ) над песком окрашивается светлее эталона.

3. Требования по зерновому составу:

Песок должен состоять из зёрен различного размера, причём количество крупных, мелких и средних зёрен устанавливается таким образом, чтобы зёрна меньшего размера располагались в пустотах между крупными. Гранулометрический состав песка определяют просеиванием через стандартный набор сит. Сначала определяют частный остаток (где – номер сита) на каждом сите:
,

где m_i ─ масса песка, оставшегося на i-ом сите после просейвания, m_нав ─ масса навески песка, участвовавшего в просеивании.

Затем определяют полный остаток в процентах как сумму частного остатка на данном сите и частных остатков на ситах большего размера:

.

Для оценки крупности песка используется модуль крупности (М_к), значение которого определяется по формуле

,

где А_i – полные остатки на соответствующих ситах, %.

После этого в осях «размер сита ─ полный остаток на данном сите» строится кривая просеивания песка, которая должна входить в стандартную область.

Если кривая не вошла в стандартную область, то песок рассеивают на фракции и дозируют каждую фракцию отдельно.

4. Насыпная плотность не более 1,8 г/см³.

Крупный заполнитель

Крупный заполнитель является третьей фазой. В качестве крупного заполнителя для тяжёлых бетонов используют гравий или щебень. Гравий – это окатанные зёрна различных горных пород, которые образовались в результате естественного разрушения горных массивов. Щебень – материал, полученный в результате искусственно дробления горных пород. При выборе крупного заполнителя необходимо, чтобы он отвечал следующим требованиям.

1. Требование по чистоте:

Содержание пылевидных, глинистых и илистых частиц не должно превышать 1% (определяется отмучиванием);

2. Содержание органических примесей: ограничено;

3. Зерновой состав:

В крупном заполнителе должны содержаться зёрна фракций: 5–10 мм, 10–20 мм, 20–40 мм, 40–70 мм (определяется просеиванием через стандартный набор сит).

Строится кривая просеивания, которая не должна выходить за пределы стандартной области;

4. Требование по прочности:

Прочность крупного заполнителя определяется дроблением зёрен в цилиндре. Марки по дробимости: Др 8 –16;

5. Зёрна крупного заполнителя должны иметь шероховатую поверхность (для лучшего сцепления);

6. Крупный заполнитель должен иметь марку по морозостойкости не менее 15 циклов;

7. Крупный заполнитель должен иметь марку по истираемости и на удар;

8. В крупном заполнителе нормируется содержание зёрен по форме.

Вода

Для приготовления бетона используют чистую питьевую воду. НЕЛЬЗЯ использовать сточные, кислые, щелочные и болотные воды. воды должен быть не менее 4. Водоцементное отношение должно находиться в интервале В/Ц = 0,4 ─ 0,7. При увеличении количества воды затворения избыточная вода будет испаряться и в матрице будет появляться большое количество пор, которые будут снижать плотность, связность и непрерывность матрицы, что будет негативно влиять на свойства бетона.

В любом цементном бетоне четвертой фазой являются пузырьки воздуха, которые захвачены при перемешивании бетона или при неплотном заполнении пустотности щебня песком и пустотности песка вяжущим. Необходимо стремиться чтобы в тяжелом бетоне было как можно меньше четвертой фазы.

Основные свойства бетонной смеси

В процессе изготовления и твердения бетона выделяют два периода, когда материал обладает различными свойствами и состоянием:

1. До схватывания цемента – бетонная смесь;

2. Период схватывания и эксплуатации материала – бетон.

Свойства бетонной смеси (первый период):

1. Удобоукладываемость;

2. Связность.

Удобоукладываемость – способность бетонной смеси растекаться и принимать заданную форму, сохраняя при этом монолитность и однородность.

Удобоукладываемость характеризуется следующими показателями:

1. Подвижность;

2. Жёсткость.

Подвижность определяется стандартным конусом и характеризуется осадкой конуса в сантиметрах. В зависимости от подвижности разделяют:

· Малоподвижные – с осадкой конуса 1–4 см;

· Подвижные – с осадкой конуса 4–11 см;

· Высокоподвижные – с осадкой конуса 11–20 см;

· Литые – с осадкой конуса более 20 см.

От чего зависит подвижность бетонной смеси

Подвижность бетонной смеси зависит:

1. От содержания цементного теста (чем больше цементного теста, тем больше подвижность);

2. От водоцементного отношения;

3. От свойств цемента (если применять цемент с большим значением нормальной густоты, то подвижность бетонной смеси понижается);

4. От крупности зёрен заполнителя (с увеличением крупности зёрен суммарная площадь их поверхности уменьшается, а, следовательно, уменьшается влияние заполнителя на цементное тесто, в результате этого подвижность возрастает);

5. От соотношения между песком и щебнем (чем больше песка, тем меньше подвижность бетонной смеси).

Регулировать подвижность бетонной смеси можно введением пластифицирующих добавок.

При малом расходе воды бетонные смеси не дают осадки конуса. Такие смеси называются жёсткими. Для оценки их свойств используют стандартный вискозиметр. Жёсткость в этом случае характеризуется секундами жёсткости.

Связность – способность бетонной смеси сохранять видимую однородность и не расслаиваться при транспортировке, выгрузке и укладке. Связность зависит от внутренней вязкости бетонной смеси: чем меньше вязкость бетонной смеси, тем она легче расслаивается.

Связность можно повысить:

1. Повышая расхода цемента;

2. Уменьшая водоцементное отношение;

3. Увеличивая расход песка за счёт крупного заполнителя;

4. Уменьшая среднюю крупность песка.

Требуемую связность бетонной смеси обеспечивают правильным подбором состава и выбором правильного соотношения между крупным и мелким заполнителями.

Структура бетонной смеси

Структуру бетонной смеси рассматривают как систему, состоящую из двух компонентов:

1. Цементное тесто;

2. Заполнитель.

Цементное тесто – основной структурообразующий компонент бетонной смеси; свойства цементного теста зависят от соотношения между твёрдой и жидкой фазами. С увеличением содержания воды повышается подвижность цементного теста
и уменьшается его прочность.

Вода в бетонной смеси находится в трёх различных состояниях:

1. Химически связанная вода – вода, вступившая в химическое взаимодействие с цементом; в свежеприготовленном цементном тесте такой воды 1–2%. К моменту схватывания количество такой воды увеличивается до 5%;

2. Адсорбционная (физико-химическая) вода – это вода, которая под действием адсорбционных сил оказывается физико-химически связанной с твёрдой фазой (с её поверхностью). Вода в адсорбированных плёнках приобретает свойства твёрдых тел: упругость, прочность на сжатие. Толщина слоя такой воды менее 0,15 мкм. В свежеприготовленном цементном тесте такой воды 3–5%. К моменту схватывания количество такой воды увеличивается до 25%;

3. Свободная вода – основное количество такой воды в цементном тесте находится в межзерновом пространстве. В свежеприготовленном цементном тесте такой воды содержится до 95%. К моменту схватывания количество такой воды составляет 65–70%. Именно свободная вода оказывает основное влияние на подвижность цементного теста и в итоге – бетонной смеси.

Заполнитель

Введение заполнителя в цементное тесто сильно влияет на свойства материала. Слои цементного теста при введении заполнителя теряют подвижность. В зависимости от соотношения между цементным тестом и заполнителем различают 3 структуры бетонной смеси:

1. Базальная;

2. Поровая;

3. Контактная.

Свойства бетона

1. Прочность бетона:

Прочность бетона характеризуется его маркой, т. е. пределом прочности на сжатие бетонных образцов-кубов размером 15x15x15 см, изготовленных из бетонной смеси рабочего состава и испытанных после 28 суточного твердения в нормальных условиях.

Существуют марки бетона (предел прочности на сжатие) от М50 до М450. Также существуют высокопрочные бетоны М500 и М800.

Классом бетона называется нормативная (наибольшая, при нормальной эксплуатации) кубиковая прочность в МПа, задаваемая с обеспеченностью 0,95 и с коэффициентом вариации . Для перехода от класса к марке бетона используют формулы:

; ,

где – класс бетона; – прочность бетона; – средняя прочность бетона.

Прочность бетона зависит от многих факторов. Главные из них:

Активность цемента – марка цемента по прочности. Цементы высокой активности дают более прочные бетоны, однако при одной и той же прочности цемента можно получить бетон разной прочности, изменяя количество воды в смеси.

Для получения удобоукладываемой бетонной смеси водоцементное отношение принимают равным 0,4–0,7.

Для химического взаимодействия цемента воды требуется 15–20% от массы цемента. Избыточная вода, не вступившая в химическое взаимодействие, испаряясь из бетона образует поры, уменьшает прочность, а следовательно, прочность можно повысить уменьшая водоцементное отношение и уплотняя бетон.

На прочность влияют качество заполнителя, продолжительность твердения, форма и шероховатость поверхности заполнителя.

Прочность бетона при благоприятной температуре и влажности постоянно повышается. Первые 7–14 суток прочность набирается быстрее. К 28 суткам рост прочности замедляется. Твердение бетона можно ускорить повышением температуры. Например, при температуре бетон за 12 часов набирает 70% марочной прочности. При температуре твердение бетона прекращается. Для ускорения твердения также применяют добавки.

2. Плотность и непроницаемость бетона для жидкостей и газов:

Бетон – это пористый материал. Поры образуются в результате неполного удаления воздуха при уплотнении и при испарении избыточной воды. Получить бетон высокой прочности можно следующими способами:

а) Применением низкого водоцементного отношения;

б) Рациональным подбором зернового состава заполнителей;

в) Введением пластифицирующих и гидрофобизирующих добавок;

г) Тщательным уплотнением бетонной смеси;

д) Правильным уходом за твердеющим бетоном.

Но даже при соответствующих мероприятиях получить абсолютно плотный бетон невозможно.

3. Водонепроницаемость бетона:

Водонепроницаемость характеризуется наибольшим давлением воды, при котором она не просачивается через образцы. Бетон, плотно уложенный, с малым водоцементным отношением, с мелкопористой структурой является водонепроницаемым материалом.

По водонепроницаемости бетоны делят на марки: W2; W4; W6; W8; W10; W12 (число означает давление в атмосферах). Для увеличения водонепроницаемости применяют:

а) Торкретирование (плотная штукатурка, наносимая под давлением);

б) Покрытие бетонной конструкции жидким стеклом.

4. Морозостойкость:

Долговечность зависит от морозостойкости. Морозостойкость характеризуется количеством циклов попеременного замораживания при температуре –20 ^°С иоттаивания в воде комнатной температуры без потери массы более 5% и прочности более 15%. Марки морозостойкости бетона: F50; F75; F100; F200; F300; F400; F500.

Методы повышения морозостойкости:

а) Применение морозостойких заполнителей;

б) Уменьшение водоцементного отношения;

в) Применение гидрофобных и гидрофильных добавок;

г) Применение портландцементов высоких марок;

д) Применение глинозёмистого цемента.

5. Усадка и расширение бетона:

Твердение бетона на воздухе сопровождается уменьшением его объёма, т. е. усадкой. Большую усадку дают бетоны на жирных смесях (с большим расходом вяжущего вещества) и с большим водоцементным отношением. Наибольшая усадка происходит в начальный период твердения (за первые сутки она составляет 50–70% всей усадки).

На величину усадки также влияет минералогический состав цемента, тонкость помола (чем меньше тонкость помола, тем меньше усадка).

Способы снижения усадки

а) Применение цементов низких марок;

б) Применение белитовых цементов;

в) Избегание жирных смесей;

г) Уменьшение количества воды;

д) Применение рационального зернового состава заполнителей;

е) Строгое соблюдение температурно-влажностного режима твердения бетона (влажность равна 100%; температура равна ).

Расширение бетона происходит от нагревания в результате экзотермии при взаимодействии цемента с водой. В результате этого в бетоне образуются трещины. Для предотвращения расширения в массивных конструкциях предусматривают выполнение температурных швов.

6. Стойкость бетона к коррозии:

Под воздействием агрессивных жидкостей и газов бетон разрушается. Коррозия бетона вызывается коррозией цементного камня. Заполнители всегда могут быть подобраны стойкими. Для предотвращения коррозии рекомендуется:

а) Использование цементов с минимальным количеством трёхкальциевого алюмината;

б) Оклейка конструкции плёночными материалами;

в) Футеровка штучными материалами (например, обкладка плитками).

7. Отношение бетона к действию высоких температур:

Бетон – огнестойкий материал, что позволяет применять его для устройства дымовых труб и промышленных печей. При длительном воздействии высоких температур необходимо предусмотреть применение специальных видов бетона на глинозёмистых смесях.