Составы и структура строительных материалов

Составы и структура строительных материалов

Составы строительных материалов

Структура материалов

Термин "структура" трактуется очень широко. Структура, по мнению физика, это особенность строения кристаллической решетки тела, химика – результат взаимодействия молекул, атомов и т.п., биолога - особенность строения клетки и т.д. В строительном материаловедении под термином "структура" подразумевают взаиморасположение элементов, составляющих тот или иной материал. Например, по структуре керамические изделия подразделяют на изделия грубой и тонкой керамики, бетоны с плавающей и контактной структурой, крупнозернистые, мелкозернистые и ячеистые и т.д.

Структура (строение, расположение, порядок) – совокупность устойчивых связей тела (объекта), обеспечивающих его целостность.

Структуру строительного материала изучают на трех уровнях: макро уровне - макроструктура – строение материала видимое невооруженным глазом; микро уровне - микроструктура – строение материала, видимое через микроскоп; внутренняя структура строение вещества, изучаемое на молекулярно-ионном уровне (физико-химические методы исследования – электронный микроскоп, термогравиметрия, рентгеноструктурный анализ и т.д).

2.1 Макроструктура –это видимая невооруженным глазом или при небольшом увеличении внутренняя или поверхностная часть материала. Макроструктура в целом характеризуется фазовым составом, т.е. наличием элементов структуры в виде твердого тела, жидкости и газовой среды.

При визуальном осмотре изделия выявляют зоны и участки, различающиеся пористостью, окраской, зерновым составом и другими особенностями, а также различные дефекты структуры в виде трещин, каверн и пр.

Макроструктуру строительных материалов делят на несколько групп: конгломератная, ячеистая, мелкопористая, волокнистая, слоистая, и рыхлозернистая (порошкообразная). Конгломератная структура - соединение разнородных веществ, обычно в виде зерен, кусков различных форм и размеров, например, конгломератную структуру имеют тяжелые бетоны. Ячеистая структура свойственна газо-, пенобетонам, пеностеклу, пемзе. Ячеистая структура характеризуется наличием макропор, у мелкопористых большинство ячеек размером менее 1 мм, например у керамических материалов. Волокнистая структура присуща природным (древесина) или искусственным (минеральная вата) материалам с расположением волокон в одном направлении или хаотично. Показатели свойств таких материалов заметно отличаются при физических воздействиях вдоль или поперек волокон. Слоистая структура предполагает наличие в материале нескольких, в том числе и разнородных слоев, характерна для листовых материалов, плитных, рулонных гидроизоляционных и др. Рыхлозернистую структуру имеют сыпучие порошкообразные материалы, состоящие из большого количества несвязанных зерен или мелких частиц, например щебень (гравий), песок - заполнители для бетонов и растворов, материалы для тепло- звукоизоляционной засыпки.

В процессе структурообразования в определенный промежуток времени, как правило, имеют место только две фазы: жидкая (расплав или раствор) и твердая (кристалл или стекло). При стабилизации структуры возможно наличие третьей (газовой фазы).

2.2 Микроструктура – строение вещества, материала различимое с помощью оптических приборов (под микроскопом). Классически выделяют три типа микроструктур: кристаллическую, аморфную, смешанную.

Кристаллическая структура – упорядоченная, наиболее устойчивая форма агрегатного состояния вещества. Кристаллическая структура формируется из термодинамически неустойчивых диспергированных систем, обладающих огромным запасом свободной энергии. Кристаллизация, как правило, самопроизвольный процесс с выделением тепла (энергии). Образующиеся кристаллы определяют физические, механические, термические, электрические, оптические и другие свойства структуры. Схема изменения состояния тела на рис 1.

Переход кристаллического тела в аморфное состояние связан с сообщением механической, химической или тепловой энергии.

Аморфная структура – промежуточное состояние между двумя периодами существования кристаллической структуры: до полной кристаллизации (левая часть схемы) и в стадии активного распада (правая часть схемы).

Кристаллическое состояние твердого тела (устойчивое)

Кристаллизация Аморфизация

Стеклообразное Жидкость, расплавы,

состояние твердого тела растворы, дисперсии

(малоустойчивое) Стеклообразное (неустойчивое состояние)

Рис.1 Схема изменения состояния (структуры) тела

Смешанная аморфно-кристаллическая структура, точнее стеклокристаллическая – сложная структура. Соотношение между кристаллической и аморфной фазами оказывает огромное влияние на свойства материала. Схема образования аморфно-кристаллической структуры на рис. 2. Вершины треугольника символизируют структуры (состояние вещества или материала): вершина "А" – кристаллическая структура, "В" – аморфная структура, "С" – стеклообразное состояние твердых тел.

Кристаллическая структура (устойчивая)

А

Стеклокристаллическая структура Стеклокристаллическая структура

(ситалловая) образованная из стекла образованная из кристаллов

Аморфно-кристал лическая структура

Конденсация Диспергация

(созидательный процесс) (разрушительный процесс)

С В

Аморфная структура (неустойчивая)

Рис. 2 Схема образования аморфно-кристаллической структуры

Зона, расположенная выше линии, проходящей через точку "А", предполагает наличие в ней элементов ярко выраженной кристаллической или поликристаллической структуры. Ярко выраженную кристаллическую структуру имеют минералы образующие горные породы, такие горные породы, как гранит, диорит и др., клинкерные минералы цемента. Зона ниже линии "СВ" – включает природные и искусственные материалы и соединения, имеющие аморфную структуру: вулканическое стекло, стекло и изделия из него, сажа, аморфный кремнезем. Между двумя горизонтальными линиями расположена зона элементов смешанной аморфно-кристаллической структуры. Большинство строительных материалов имеют именно эту структуру: строительная керамика, бетоны, растворы и др.

Свойства материалов

Совокупность различных свойств предопределяет назначение материала и граничные условия его эксплуатации.

Структурные характеристики

Масса – совокупность материальных частиц (атомов, молекул, ионов), содержащихся в данном теле (кг, г). Масса обладает определенным объемом, т.е. занимает часть пространства. Она постоянна для данного вещества и не зависит от скорости его движения и положения в пространстве. Тела одинакового объема, состоящие из различных веществ, имеют неодинаковую массу.

Истинная плотность – масса единицы объема абсолютно плотного материала (кг/м³, г/см³):

r = m / V, (1)

где m – масса материала, кг (г); V- объем в плотном состоянии, м³ (см³).

Большинство строительных материалов пористые - в их объеме помимо твердого вещества находятся воздушные ячейки (поры), заполненные воздухом, плотность которого несравнимо ниже плотности твердого вещества. Поэтому для строительных материалов определяют среднюю плотность.

Средняя плотность – масса единицы объема материала (изделия) в естественном состоянии, включая поры и пустоты (кг/м³, г/см³):

r_о = m / V_е , (2)

где m – масса материала, кг (г); V_е – объем материала в естественном состоянии, м³ (см³).

Относительная плотность – выражает отношение плотности материала к плотности стандартного вещества при определенных физических условиях (безразмерная величина):

d= r_I (T_I; P_I) / r_ст (T_ст; P_ст), (3)

где r_I - плотность материала, кг/м³; r_ст - плотность стандартного вещества, кг/м³.

В качестве стандартного вещества принимают воду при +4 ^оС, имеющую при этой температуре плотность 1000 кг/м³. Например: легкий бетон r_о=1400 кг/м³иметт относительную плотность d=1,4.

Для характеристики материалов, состоящих из отдельных зерен (цемент, песок, гравий), используют так называемую насыпную плотность.

Насыпная плотность – отношение массы зернистых или порошкообразных материалов ко всему занимаемому ими объему, включая и пространство между частицами (кг/м³, г/см³, кг/л):

r_нас = m / V_нас , (4)

где m – масса зернистого или порошкообразного материала, кг (г); V_нас – объем, который занимает определенная масса материала, находящегося в рыхлонасыпном состоянии, м³ (л).

Подавляющее большинство современных материалов кроме жестко-вязкого (твердого) вещества содержат в структуре поры – промежутки, полости, ячейки. Их количество и характер (размеры, распределение, открытость или закрытость) влияют на эксплуатационно-технические свойства

Строение материала в естественном состоянии характеризуется общей, открытой и закрытой пористостью, распределением пор по их радиусам, средним радиусом пор и удельной внутренней поверхностью пор.

Пористость – степень заполнения объема материала порами:

П = V_П / V_е (5)

где V_П – объем пор, м³ (см³); V_е - объем материала в естественном состоянии, м³ (см³).

Экспериментально-расчетный метод определения пористости, %, использует найденные опытным путем значения плотности высушенного материала:

П = ( 1 - r_о / r ) · 100 (6)

Пористость строительных материалов колеблется в широких пределах от 0 до 98 %. В зависимости от показателя пористости различают низкопористые (менее 30 %), среднепористые (от 30 до 50 %) и высокопористые (более 50 %) материалы. На свойства материалов оказывает влияние величина пористости, размер и характер пор. Пористый материал содержит открытые и закрытые поры, размер пор может быть как несколько ангстрем, так и несколько миллиметров. По размеру поры классифицируют на:

- макропоры >0,5 мкм (5×10³ А);

- капиллярные поры >1 мкм (10⁴ А);

- контракционные поры 1…10^-2 мкм (10⁴…10² А);

- поры геля – 10^-2…10^-4 мкм (50…15 А).

Из представленной классификации к элементам макроструктуры относятся макропоры и крупные капилляры. Капиллярами называют, как правило, канальные поры, которые способны впитывать жидкость. Этот процесс имеет место при определенных условиях, связанных с радиусом капилляра, свойствами жидкости и твердой фазы, а также взаимодействием жидкости с внутренней поверхностью капилляра. Увеличение замкнутой пористости повышает долговечность материала.

Плотность и пористость в значительной степени определяют такие свойства материалов как водопоглощение, водопроницаемость, морозостойкость, прочность, теплопроводность и др.

Пустотность – степень заполнения определенного объема зернистым или порошкообразным материалом (%) или количество пустот, образующихся между зернами рыхлонасыпанного материала:

П = ( 1 - r _нас / r ) х 100 (7).

Например, пустотность песка кубанского речного достигает 50%.

Физические свойства

Теплофизические свойства

Звукоизоляционные свойства

Звукопоглощение –способность материала поглощать звуковые волны. Звукопоглощение материала характеризуется коэффициентом звукопоглощения, показывающим, какое количество звуковой энергии поглотил материал в единицу времени по сравнению с общим количеством падающей звуковой энергии.

Звукопоглощающая способность материала прямо пропорциональна логарифму его массы. Следовательно, с увеличением массы материала повышается его звукопоглощающая способность, сначала довольно быстро, а затем весьма медленно. Поэтому необходимой звукоизоляции добиваться только увеличением массы материала не экономично. Степень поглощения звука материалом зависит от его структуры, величины и характера пористости, а также толщины. В полужестком и особенно упругом скелете материала звукопоглощение усиливается за счет деформаций самого скелета, поэтому материалы с волокнистой структурой (на основе минеральных волокон) являются звукопоглощающими.

Механические свойства

Долговечность и надежность

5.1 Долговечность– свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с не обходимыми перерывами на ремонт. Предельное состояние определяется степенью разрушения изделия, требованиями безопасности или экономическими соображениями. Долговечность строительных изделий измеряют сроком службы без потери эксплуатационных качеств в конкретных климатических условиях и в режиме эксплуатации. Например, для железобетонных конструкций нормами предусмотрены три степени долговечности: 1-ая - не менее 100 лет, 2-ая – не менее 50 лет, 3-я - не менее 20 лет. Долговечность определяется совокупностью физических, механических и химических свойств материала. Ее нужно оценивать применительно к конкретным условиям эксплуатации. О долговечности судят, подвергая материалы испытаниям, которые по возможности воспроизводят воздействия в натуре. Моделирование воздействий среды в условиях лабораторных испытаний достаточно сложная задача. Лабораторные испытания сочетают с натурными испытаниями.

5.2 Надежность – проявление всех свойств материалов в процессе эксплуатации. Надежность складывается из долговечности, безотказности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Безотказность – свойство изделия сохранять работоспособность в определенных режимах и условиях эксплуатации в течение некоторого времени без вынужденных перерывов на ремонт.

Ремонтопригодность – свойство изделия, характеризующее его приспособленность к восстановлению исправности и сохранению заданной технической характеристики в результате предупреждения, выявления и устранения отказов.

Сохраняемость - свойство изделия сохранять обусловленные эксплуатационные показатели в течение и после срока хранения и транспортирования, установленного технической документацией. Сохраняемость оценивают количественно временем хранения и транспортирования до возникновения неисправности.

Составы и структура строительных материалов