Структура строительных материалов
Структура материала или внутреннее строение- характеристика пространственного расположения частиц различной степени дисперсности находящихся в устойчивых взаимных связях, с определенным порядком сцепления между собой. Описывают микроструктуру и макроструктуру материала.
Микроструктура- расположение, взаимосвязь атомов, ионов, молекул, т.е. атомно-молекулярное строение. Основной формой расположения является кристаллическая решетка.
Макроструктура -различима невооруженным взглядом. Описывает взаимосвязи в основном обусловленные цементирующей способностью вяжущего или полученные путем спекания в конгломерат нескольких сырьевых материалов. Наряду с твердыми составляющими присутствуют микро- и макропоры.
Структура может быть кристаллической или аморфной. Для материалов кристаллической структуры характерно наличие определенной температуры плавления, высокая прочность при сжатии и низкая на растяжение (в том числе на растяжение при изгибе).
Вторая форма связи атомов и ионов без кристаллической решетки- аморфная или стекловидная структура, обладающая высоким запасом энергии. Аморфные вещества являются анизотропными, не имеют определенной температуры плавления, переход из расплавленного в твердое состояние обратим. Со временем материалы стекловидной структуры могут кристаллизоваться.
Полиморфная структура: алмаз-графит, материал состоит из углерода но свойства имеют принципиальное различие в виду различий в кристаллической решетке.
Оценка поровой структуры.
Пористость- степень заполнения объема материала порами. Различают капиллярную, условно-замкнутую и общую пористость. Капиллярная пористость - наличие сообщающихся капиллярных пор , условно-замкнутые поры- поры не заполняемые водой, представляют сферообразные воздушные поры не связанные друг с другом. Если поры капиллярные, то материал будет обладать такими свойствами как водопоглощение, водопроницаемость. Пониженной морозостойкостью и коррозионной стойкостью, высокой теплопроводностью и высокой способностью к звукопоглощению. Материал, обладающий мелкопористой с замкнутыми порами структурой, имеет низкую теплопроводность.
Для определения открытой пористости выполняют расчет после насыщения материала водой:
Пор.отк .= (Мнас.-Мсух) 100%
V
Расчет общей пористости выполняют на основании данных по величине средней плотности(p сред) и истинной плотности ( pист):
Пор.общ. = (1- pсред/ pист) 100%
Условно-замкнутую или закрытую пористость устанавливают по разности:
Пор.зак. = Пор.общ. – Пор.отк.
Пористость может изменяться от 0 до 98%. Кроме характера пор важную роль играет размер пор и их распределение по объему материала. Для установления размера пор используют специальные методы (ртутная порометрия).
Пористость материала влияет на все основные эксплуатационные свойства, поэтому существуют приемы как увеличения, так и уменьшения пористости.
Величина пористости влияет на прочность материала, в общем виде зависимость прочности от пористости можно выразить формулой:
Rп = Rо( 1-А•П).где Rп и Rо прочность соответственно пористого и безпористого материала, А- коэффициент структуры = 1 - 1.1 соответствует оптимальным структурам с объемом пор 0.02-0.03, П- степень пористости. При увеличении пористости от 0 до 20% прочность снижается по линейной зависимости
Основной проблемой в строительстве является применение мер по устранению негативных последствий влияния открытой пористости материалов, изделий и конструкций на долговечность зданий и сооружений.
Физические свойства
Средняя плотность -характеризует массу единицы объема материала в естественном состоянии ( с учетом пор и пустот)
ρ = М/V, кг/м3
Это одно из основных свойств, по величине плотности можно предопределить ряд свойств.
| Материал | Плотность. Кг/м3 |
| Черные металлы | |
| Алюминий | |
| Бетон плотный на цементном вяжущем | |
| Керамзитобетон | 900-1800 |
| Ячеистый бетон | 500-1100 |
| Керамический кирпич полнотелый | 1600-1800 |
| Керамический кирпич пустотелый | 900-1400 |
| Силикатный кирпич | 1600-1850 |
| Пенополистирол | 25-45 |
| Стекло | |
| Пеностекло | 200-400 |
| Стекловата | 75-200 |
Для определения средней плотности путем прямого измерения определяют массу и объем материала.
При воздействии статистических или циклических тепловых факторов материал характеризуется: теплопроводностью, теплостойкостью, огнестойкостью, термостойкостью, коэффициентом линейного температурного расширения
Теплопроводность – способность материала проводить через свою толщу тепловой поток, возникающий под влиянием разности температур на поверхности. Теплопроводность характеризуют коэффициентом теплопроводности λ, это количество тепла прошедшее через материал площадью 1м2, толщиной 1 м, за время 1 час при разности температур на поверхностях 1 градус :
λ = Q/ S •ΔΤ• τ• d где λ – коэффициент теплопроводности Вт/м °К ;Q – прошедший тепловой поток, Вт; S – площадь поверхности,м2; ΔΤ- разность температур на поверхностях, °К; τ- время, час; d- толщина материала, м.
Теплопроводность материала зависит от:
- Пористости, размера и характера пор. Для снижения теплопроводности поры должны быть мелкими, обязательно замкнутыми.
- Влажностного состояния. Содержащийся в порах неподвижный воздух имеет теплопроводность 0.023 Вт/мК, вода в 4 раза лучше проводит тепло, поэтому с повышением влажности на 1% теплопроводность возрастает на 0, 01 при замерзании воды в порах и образовании льда теплопроводность которого в 10-25 раз выше теплопроводность возрастает еще больше.
- Температуры материала. С ростом температуры теплопроводность возрастает:
λt = λо (1+ βt). где λt- теплопроводность при определенной температуре, λо- теплопроводность при температуре +20°С, β- температурный коэффициент.
Коэффициент теплопроводности можно рассчитать на основании данных по плотности используя эмпирическую формулу В.П. Некрасова
λ =1.163 √¯0.0196 + 0.22 ρ2– 0.14
Теплопроводность различных материалов
| Материал | Теплопроводность |
| Кварц | 0.63 |
| Графит | |
| Стекло строительное | 1.34 |
| Медь | |
| Железо | 73.2 |
| Полиэтилен | 0.34 |
| Пенополистирол | 0.032 |
| Пенополиуретен | 0.028 |
| Полиметилметакрилат (орг.стекло) | 0.16 |
| Кирпич керамический пустотелый | 0.435 |
| Ячеистый бетон плотностью 600 кг/м3 | 0.16-0.18 |
| Керамзитобетон плотностью 1100 кг/м3 | 0.68 |
| Минеральная вата плотностью 200 кг/м3 | 0.05 |
В строительном материаловедении теплопроводность учитывается при расчете ограждающих конструкций для обеспечения:
- тепловой изоляции зданий и сооружений;
- для тепловой защиты поверхностей тепловых агрегатов и трубопроводов; - термостойкости огнеупорных материалов и специальных составов;
- хладоизоляции.
Поскольку ограждающие конструкции по своему назначению многофункциональны, составляющие их материалы являются гетерогенными пористыми телами. Общая, или эффективная Термическое сопротивление конструкции, важнейшая характеристика ограждающих конструкций здания, назначается по СНиП с учетом климатической зоны и расчета градусо-отопительных часов конкретного региона.
Термическое сопротивление рассчитывается по формуле:
R= d/ λ где R – термическое сопротивление, для Тюмени должно быть равным 3.53, d - толщина ограждающей конструкции, λ - коэффициент теплопроводности материала конструкции.
Тепловое расширение ТКЛР. Любая конструкция в процессе эксплуатации подвергается действию знакопеременных температур, при этом линейные размеры изменяются. Реально на границе двух фаз с разными коэффициентами температурного расширения одновременно возникают два вида напряжений- сжимающие, действующие на материал с высоким коэффициентом, и растягивающие, действующие на материал с меньшим коэффициентом. При напряжениях сверх некоторого критического значения появляются трещины. В поликристаллическом материале (например бетоне) имеющем много подобных внутренних контактов, как правило появляется несколько мельчайших трещин, которые не концентрируют напряжения, а релаксируют их.
Если поверхность контактов различных фаз велика и непрерывна, что имеет место в случае контакта керамического слоя с глазурью, то трещины из-за разности коэффициентов термического расширения не образуются и релаксация не наступает. Тогда напряжения суммируются и происходит отрыв слоев.
Тепловое расширение полностью обратимо или термически упруго, т.е. эффекты расширения при нагревании и сжатия при охлаждении по абсолютной величине одинаковы. Однако если циклически изменять температуру. То может возникнуть тепловой гистерезис. Это объясняется тем, что при колебаниях температуры едва измененная структура не успевает полностью восстановиться. Происходит запаздывание процесса расширения или сжатия.
Тепловой гистерезис чаще возникает в поликристаллических телах и зависит от макроструктуры (размера частиц, пористости и других показателей).
Паропроницаемость
Паропроницаемые материалы должны быть расположены с той стороны, где содержание водяного пара в воздухе больше. Т.к. при попадении водяного пара в холодную часть конструкции он конденсируется, резко повышается влажность, что постепенно приводит к разрушению слоев материала. Давление пара при отрицательных температурах приводит к миграции пара в наружную часть конструкции, где в порах образуется лед. Таким образом на морозостойкость конструкций особое влияние оказывает паропроницаемость.
В строительной практике применяют различные, в том числе условные характеристики паропроницаемости, так за 1 принята паропроницаемость керамического кирпича с пористостью 30%.
Трепельный кирпич пористостью 50% 2.2
Бетон пористостью 15% 0.25
Газопроницаемость
Газопроницаемость оконного стекла 10‾7
Кирпича 0.35