Сведения об авторах
__________________________________________________
СЕМЕНЯК ГЕННАДИЙ СТЕПАНОВИЧ
Окончил Челябинский политехнический институт (сейчас Южно-Уральский го-сударственный университет), инженер-строитель-технолог.
С 1969 года работает на кафедре «Строительные ма-териалы» ЮУрГУ (асси-стент, старший преподава-тель, доцент).
На протяжении послед-них 16 лет ученый секретарь кафедры.
Читает лекции по дисциплинам «Материаловедение», «Архитектурное материаловедение», «Современные отделочные материалы», «Метрология, стандартизация и сертификация».
Является автором и соавтором 30 учебно-методических разработок.
Научная работа посвящена исследованию морозостойкости бетона, получению бетонов высоких марок с заранее заданными свойствами.
Опубликовано более 20 научных статей.
Ветеран ЮУрГУ.
Контакты: mailto:sgs2004@yandex.ru
ПОГОРЕЛОВ СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ
Окончил Челябинский по-литехнический институт (сейчас Южно-Уральский государственный университет), инженер-строитель-технолог.
После окончания института, с 1982 года работает на кафедре «Строительные материалы» ЮУрГУ(инженер, ассистент, старший препо-даватель, доцент).
Кандидат технических наук. Научная работа посвящена исследо-ванию морозостойкости сталефибро-бетона.
Опубликовано более 20 научных статей.
Читает лекции по дисциплинам «Материаловедение», «Физико-химические основы технологии строительных материалов», «Технология конструкционных материалов», «Организация и управление предприятиями стройиндустрии», «Планирование производства строительных материалов».
|
|
Автор более 20 учебно-методических разработок.
Контакты: mailto:spogorelov@surnet.ru
ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
Тема 1 Основные свойства строительных материалов. Классифи-кация строительных материалов по основным свойствам. Физические свойства материалов, в том числе их отношение к температуре и влажно-сти. Механические свойства материалов, в том числе вязко-пластичное со-стояние их в процессе переработки. Эксплуатационные свойства материа-лов. Физико-химические свойства материалов.
Тема 2 Природные каменные материалы. Условия получения при-родных каменных материалов из горных пород. Основные положения тех-нологии природных каменных материалов. Состояние и перспективы раз-вития современных материалов из горных пород Экономичное примене-ние природных каменных материалов в строительстве.
Тема 3 Древесные материалы. Условия получения древесных мате-риалов из древесины. Основные положения технологии древесины. Со-стояние и перспективы развития современных материалов из древесины. Экономичное применение древесных материалов в строительстве.
Тема 4 Керамические материалы. Условия получения керамических материалов и закономерности получения керамики с заданными свойства-ми. Основные положения технологии керамики. Состояние и перспективы получения современных керамических материалах. Экономичное приме-нение керамических материалов в строительстве.
Тема 5 Материалы из силикатных расплавов. Условия получения стекла, стеклянных изделий и других материалов из силикатных распла-вов. Основные положения технологии стекла. Состояние и перспективы развития современных материалов из силикатных расплавов. Экономич-ное применение материалов из силикатных расплавов в строительстве.
|
|
Тема 6 Теплоизоляционные материалы. Условия получения тепло-изоляционных материалов. Основные положения технологии теплоизоля-ционных материалов. Состояние и перспективы получения современных теплоизоляционных материалов. Экономичное применение теплоизоляци-онных материалов в строительстве.
КАЛЕНДАРНО-ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН
Виды учеб-Тема ной работы
Срок ос- Вид контроля воения те-
мы
Срок предостав-ления задания на проверку
1 Основные строительных лов
свойства материа-
СРС*, прак- 1-я неделя Задания 1-7 2-я неделя тическая ра-
бота
2 Природные каменные материалы
3 Древесные материалы
СРС, практи- 3-я неделя ческая работа
СРС, практи- 5-я неделя ческая работа
Задания 8-16, 38, 40, 42-44 Задания 17-22, 45-47, 49-53
5-я неделя
7-я неделя
3 Керамические мате-риалы
СРС, практи- 7-я неделя ческая работа
Задания 23-27, 9-я неделя 37, 39, 41
4 Материалы из сили-катных расплавов
СРС, практи- 9-я неделя Задания 28-32 11-я неделя ческая работа
5 Теплоизоляционные материалы.
СРС, практи- 12-я неде-ческая работа ля
Задания 14-я неделя 33-36, 48, 54
Итоговый контроль СРС 14-я неде-ля
Итоговый 15-я неделя тест
* СРС – самостоятельная работа студентов
ВВОДНЫЕ УКАЗАНИЯ
В соответствии с минимумом содержания и уровнем подготовки ин-женера выпускник (дипломированный специалист) должен в результате усвоения дисциплины:
|
|
- иметь представление о направлениях совершенствования техноло-гии производства строительных материалов и изделий, перспективах ис-пользования строительных материалов;
- знатьиуметь использовать основные свойства строительных ма-териалов, технологические методы изготовления из них элементов конст-рукций, методы повышения эффективности использования материалов;
- иметь навыки определения физико-механических свойств строи-тельных материалов.
Каждая тема состоит из следующих разделов:
а) методические рекомендации по изучению темы; б) теоретический материал;
в) выводы;
г) вопросы или тесты для самопроверки; д) задачи.
Ключевые понятия представлены в методических указаниях к каждой темы.
Ключевые вопросы представлены в разделе «Практикум», на которые даны соответствующие ссылки.
Задание может включать либо вопрос, либо задачу. Оценка промежу-точных знаний студентов производится по следующей схеме:
- каждый вопрос оценивается в 1 балл;
- каждая задача – в 3 балла. В задачах необходимо привести ее реше-ние.
При получении соответствующей оценки при изучении каждой темы студент допускается к сдаче зачета, который проводится по вопросам об-щего теста. Итоговый тест состоит из 44 вопросов, которые произвольно выбираются из перечня вопросов теста, представленного в соответствую-щем разделе учебного пособия.
Студент получает экзамен по дисциплине «Материаловедение» после правильного ответа не менее чем на 70% вопросов теста (удовлетвори-тельно); 80% вопросов теста (хорошо); 90% вопросов теста (отлично).
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебно-методический комплекс написан в соответствии с учебным планом общего курса «Материаловедение» для студентов института от-крытого и дистанционного образования, обучающихся по строительным специальностям. По своему содержанию и направлению учебно-методический комплекс должен обеспечить углубленные знания строи-тельных материалов.
Качество, долговечность и стоимость сооружений в большой мере за-висят от правильного выбора и применения материалов. Для того, чтобы рационально использовать строительные материалы, строитель должен знать свойства и назначение каждого из них. Это дает возможность строи-телю: выбрать материал с соответствующими свойствами для каждой час-ти сооружения с учетом эксплуатационной среды; правильно применить наилучшие приемы его обработки и укладки в сооружение; при необхо-димости заменить один материал на другой без ухудшения качества со-оружения; организовать правильное транспортирование и хранение мате-риала без снижения их качества.
Для решения этих задач строитель должен уметь оценивать свойства материалов числовыми показателями и хорошо разбираться в методиче-ских принципах их определения. Курс базируется на ряде дисциплин об-щетеоретического цикла (химия, физика, геология) и, в свою очередь, тес-но связан с другими специальными дисциплинами, являясь базой для их изучения (строительные конструкции, архитектура, технология строи-тельного производства, экономика и др.).
Инженер-строитель должен разбираться в обширной номенклатуре строительных материалов, уметь выбрать необходимый материал для кон-кретных условий применения их с учетом его качественных показателей и стоимости. Для сравнительной оценки различных материалов и учета осо-бенностей их свойств инженеру необходимо иметь представление об ос-новах технологии переработки сырья, получения готовой продукции, на-правляемой в строительство, знать правила приемки, хранения, транспор-тировки и экономического расходования.
Кроме того, специалист должен приобрести определенные практиче-ские навыки и освоить современные методы испытаний и принципы ква-лификации качества основных строительных материалов, научиться отбо-ру проб и изготовлению образцов для испытаний, овладеть способами подбора рационального состава материалов и т.п.
Эти знания и навыки будущий инженер-строитель получает при изу-чении дисциплины «Материаловедение» в объеме, определенном учебной программой.
Все материалы и изделия соответствуют государственной системе стандартизации ГСС, разрабатываемой на основе новейших достижений науки и техники. В каждом стандарте есть точное определение материа-
лов, классификация их, технические условия на изготовление, методы ис-пытаний, условия хранения и транспортирования. Стандарт является до-кументом, имеющим силу закона.
Кроме стандартов действует система нормативных документов, объе-диненная в Строительные нормы и правила (СНиП).
ТЕМА 1
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Методические указания
Изучению различных видов материалов и их свойства предшествуют классификация свойств на определенные группы, исходя из условий рабо-ты материалов и действующих на них факторов в реальных условиях экс-плуатации. Важным является четкое определение каждого свойства, спо-собы его оценки и раскрытие связи свойств с составом и строением мате-риала, а также взаимосвязей свойств друг с другом.
При изучении материала следует придерживаться схемы: состав – строение – свойства.
Особо следует обратить внимание на общие свойства всех материа-лов: плотность, пористость, прочность, деформативность.
В качестве контрольных мероприятий следует изучить вопросы к те-ме и выполнить задания 1…7.
Тема засчитывается при наборе 6 баллов.
Теоретический материал
Свойство – способность материалов определенным образом реагиро-вать на воздействие отдельных или совокупных внешних или внутренних силовых, усадочных, тепловых и других факторов.
Свои свойства строительные материалы проявляют в зависимости от вида воздействия внешних механических сил (ударные, динамические, статические нагрузки, истирающие усилия воды, ветра и льда), физико-химических процессов (колебания температуры, действие солнца, атмо-сферных и грунтовых вод, газов) и биологических факторов (животные, микроорганизмы) факторов.
Свойства материалов зависят от химического, минералогического, вещественного и фазового составов, во многом определяемых строением материалов, их структурой и состоянием, в которых они находятся.
1 Физические свойства строительных материалов
Физические свойства характеризуют особенности физического строения материалов и отношение их к различным физическим процессам (воде и температуре).
Строительные материалы готовят из природного и искусственного сырья, содержащего определенное количество примесей. Различают при этом неоднородные (гетерогенные) и однородные (гомогенные) системы.
Однородность – способность материала иметь в каждой единице объ-ема одинаковые состав, структуру и состояние, а, следовательно, и свой-ства. Все технологические процессы подчинены обеспечению однородно-сти, т. к. она обеспечивает надежность и стабильность свойств.
Специфические свойства вещества и материала характеризует масса, однако, это необходимо знать для правильного выбора транспортного и грузоподъемных механизмов. Правильнее оценивать массу материала в зависимости от величины объема материала.
Плотность вещества (истинная плотность) – масса единицы объема вещества, находящегося в материале, r = m1/Va, где r -- истинная плот-ность, m1 -- масса сухого материала, Va, -- абсолютный объем материала (вещества).
У большинства неорганических материалов, кроме металлов, плот-ность находится в довольно узких пределах (2,4…3,1 г/см3). Это связано с
плотностью основных химических элементов Периодической системы Менделеева, находящихся в составе этих материалов (г/см3): Si = 2,33; Al
= 2,7; Са = 1,55; Mg = 1,74; О = 0,0015.
У органических материалов интервалы плотности значительно мень-ше: 1,0…1,6 г/см3). Это также связано с плотностью основных химических
элементов Периодической системы Менделеева, находящихся в составе этих материалов С = 1,8; N = 0,3; О = 0,0015.
Плотность материала (средняя плотность) – масса единицы объема материала в состоянии естественной пористости, ¯r = m/Vе., где ¯r – сред-няя плотность материала, Vе– объем материала в состоянии естественной пористости. Если материал не имеет пор, то плотность вещества равна плотности материала. Va = Vе, ¯r = r.
Чем меньше r при одном и том же значении r, тем меньше степень плотности. Отношение Vе/Vа= ¯r/r выражает степень заполнения мате-риала веществом. Все остальное пространство занимают поры. Следова-тельно, пористость материала р = [(1-¯r/r)]100%. Для материалов, нахо-
дящихся в рыхло-сыпучем состоянии вместо средней плотности вводится понятие насыпная плотность rнас, а вместо пористости вводится понятие пустотность материала П = [(1- rнас/r)]100%.
Влажность (w) характеризует наличие влаги в материале, не оценивая способы попадания и удерживания ее в материале.
w = [(m2 – m1)/m1]100% где m2 -- масса влажного материала. Количество влаги зависит от свойств материала и окружающей среды.
Различают гигроскопичность или гигроскопическую влажность, т. е. способность материала поглощать воду из окружающей паро-воздушной среды в случае повышения ее относительной влажности. Гигроскопич-ность пропорциональна открытой пористости и тонкости помола материа-
ла. При равновесии с параметрами паро-воздушной среды материал стано-вится воздушно-сухим, а влажность – равновесной. Гигроскопичность за-висит от химического состава и характера пористости материала. Сорб-ция (сорбционная влажность) – не сопровождается химическими пре-вращениями, и она может быть удалена без ущерба качества материала. Сорбция характерна для инертных материалов. Хемосорбция -- гигроско-пичность, сопровождающаяся химическими превращениями. Поглотив-шаяся вода участвует в химической реакции и ее нельзя удалить без ущер-ба качества материала. Хемосорбция имеет место для химически активных материалов, например, для минеральных вяжущих веществ. Обратное свойство сорбции – влагоотдача.
Водопоглощение (W), т.е. предельно возможное количество воды в материале) -- способность материалов впитывать и удерживать в своих порах воду при нахождении в ней. Зависит от открытой пористости мате-риала. Происходит за счет подсоса и диффузии. Различают водопоглоще-ние по массе Wm и водопоглощение по объему Wv. Водопоглощение по объему соответствует открытой пористости материала.
Wm = [(m2 – m1)/m1]100%,
Wv = [(m2 – m1)/rвVе]100%, где rв-- плотность воды.
Для изделий, работающих под напором воды, необходимо обеспечить водонепроницаемость (период времени, по истечении которого появля-ются признаки просачивания воды под определенным давлением через образец или предельная величина давления воды, при которой вода не проходит через образец).
Под действием температуры в материале может:
- увеличиваться пористость за счет выгорания и удаления газов;
- происходить растрескивание многокомпонентных материалов с раз-личными коэффициентами линейного температурного расширения КЛТР и за счет модификационных (полиморфных) превращений;
- уменьшение пористости за счет спекания;
- происходить переход материала из одного состояния в другое. Огнеупорность – свойство материалов не деформироваться при дли-
|
упорности различают огнеупорные материалы с tпл> 1580 С, тугоплавкие
материалы с tпл = 1350…1580оС и легкоплавкие материалы с tпл < 1350оС. Температура плавления понятие условное, т.к. это есть температура нача-ла перехода материала из вязкопластичного состояния в вязко-текучее. Происходит деформация и потеря несущей способности материала.
При расчете теплоустойчивости с целью сохранения температуры в помещении без резких колебаний теплового режима изучается теплоем-кость. Она пропорционально зависит от природы вещества, его массы и
температуры. Оценка производится по удельной теплоемкости (с), т.е. ко-личеством тепла, необходимого для изменения температуры на 1 градус единицы массы материала. У неорганических материалов удельная тепло-емкость составляет 760…920 Дж/кг град. У органических материалов удельная теплоемкость значительно выше: у древесины она равна 2380…2720 Дж/кг град, у стали -- 460 Дж/кг град. Материалы с большой теплоемкостью могут быть источниками тепла и называются теплыми. Максимальная удельная теплоемкость у воды и она равна 4200 Дж/кг град. Теплопроводность – способность материала пропускать тепло через свою толщу. Оценивается коэффициентом теплопроводности l (Вт/м
град), который представляет собой количество тепла, проходящего через образец материала толщиной 1 м, плошадью 1м2 за 1 с при разности тем-ператур на противоположных поверхностях образца в 1 оС. Теплопровод-
ность зависит от степени пористости, характера пор, влажности. На теп-лопроводность влияет влажность материала, т.к. у нее она почти в 30 раз больше, чем у воздуха (соответственно 0,59 и 0,02 Вт/м град). По величи-не теплопроводности можно определить принадлежность материалов к различным группам. Теплоизоляционные материалы имеют l < 0,21 Вт/м град, конструктивно-теплоизоляционные материалы l = 0,21…0,29 Вт/м град и конструктивные материалы имеют l > 0,29 Вт/м град.
Способность материала выдерживать кратковременное действие вы-соких температур без потери несущей способности – огнестойкость. Ог-нестойкость оценивается по возгораемости. Различают несгораемые (жа-ростойкие, огнеупорные и термически стойкие) материалы, трудносго-раемые и сгораемые. Трудносгораемые и сгораемые материалы являются не огнестойкими, а несгораемые могут быть огнестойкими и не огнестой-кими. Последний вариант возможен для материалов, которые обладают полиморфизмом.
Полиморфизм (полиморфные превращения) – способность кристал-лических материалов в зависимости от температуры изменять форму и размеры кристаллов и, как правило, скачкообразно.
Жаростойкие материалы выдерживают длительный нагрев выше температуры красного каления без потери или с частичной потерей проч-ности.
Термически стойкие материалы способны выдерживать резкие теп-ловые изменения без деформаций. Оцениваются по числу резких тепло-смен. Стекло имеет термостойкость, равную 1, динас 1…3, шамот 5…30, корунд 50…100.
2 Механические свойства строительных материалов
Механические свойства строительных материалов -- способность материалов сопротивляться разрушению или изменению форм и размеров от внутренних напряжений, возникающих под действием внешних стати-ческих или динамических усилий. Образующиеся напряжения стремятся разорвать внутренние силы связи между атомами или ионами. Материал при этом деформируется. Возникают упругие и пластические деформации. При достижении предельных напряжений происходит разрушение, данная величина характеризует предел прочности материала. Характер деформа-ции и разрушения зависит от влажности, формы и размеров образца, на-правления и скорости нагрузки, структуры и характера поверхности.
Предел прочности -- условная характеристика и она может меняться с изменением условий опыта. Испытание стандартных образцов дает ин-формацию о марке материала по прочности.
В зависимости от вида материала и действующей нагрузки, опреде-ляют:
- предел прочности при сжатии Rсж(бетоны, растворы, природный камень, древесина, кирпич, вяжущие вещества);
- предел прочности при изгибе Rизг(бетоны, растворы, древесина, кирпич, вяжущие вещества);
- предел прочности при растяжении Rраст (бетоны, металлы). Различают хрупкое и пластическое разрушение твердых тел. При
этом хрупкость определяют, как способность материалов разрушаться «мгновенно», без появления пластических деформаций. Хрупкое разруше-ние происходит в результате образования и быстрого роста одной или не-скольких трещин при возрастающей нагрузке. Трещина вызывает концен-трацию напряжений около ее вершины. Хрупкость материала можно оп-ределить сравниванием величин Rсжи Rизг. При разнице в один или более порядков можно смело говорить, что данный материал относится к хруп-ким.
Разрушению пластичных (вязких) материалов предшествует измене-ние формы и большая деформация.
Прочность поверхностного слоя материала (твердость) – способность материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Для металлов и пластмасс оценка производится по вдавливанию стального шарика, конуса или призмы в поверхность, для каменных мате-риалов определение производится по шкале Мооса.
Твердость не всегда соответствует прочности, однако, от твердости материала пропорционально зависит его прочность при истирании (исти-раемость). Истираемость – способность материала сопротивляться на-грузкам, действующим по касательной к поверхности и вызывающим по-
степенное уменьшение массы за счет отрыва мелких частиц с поверхно-сти. И = (m1 – m2)/Sо, (г/см2), где m1 -- масса материала до истирания, m2 -масса материала после истирания, Sо -- площадь материала. Чаще всего определяется по потере массы после 1000 оборотов полочного барабана.
Способность материала противостоять ударам, не давая трещин, ха-рактеризуется ударной прочностью (сопротивлением удару). Оценива-
ется количеством работы, затраченной на разрушение образца, отнесенной к единице объема материала (Дж/м3). Испытание производится на копре.
Сопротивление износу (износостойкость) – способность материала сопротивляться совместному действию ударных и истирающих усилий. Износ = [(m1 – m2)/ m1]100%, где m1 и m2 -- массы материала до испытания и после испытания.
Многие материалы при их получении и применении находятся в вяз-ко-пластичном состоянии. Они занимают промежуточное положение меж-ду жидкими и твердыми телами и могут совмещать в себе свойства твер-дого тела и жидкости.
Пластичность – способность материала деформироваться без разры-ва сплошности от механического воздействия и сохранять полученную форму, когда действие внешней силы прекращено. При этом ускоряются и удешевляются процессы перемешивания и формования, повышается од-нородность готовых изделий, улучшаются физико-механические свойства и стойкость.
Способность материалов образовывать с водой пластичное тесто, обусловлено наличием промежуточной фазы, составленной полутверды-ми водными оболочками, выполняющими двойную функцию:
- придают известную устойчивость, т.е. способность материалов со-противляться нагрузкам, не нарушая свою сплошность и не утрачивая формы;
- обладают «смазочным » эффектом, облегчая скольжение твердых частиц при деформациях дисперсной системы.
Вязкость – способность материала за счет сил внутреннего трения препятствовать течению, вызванному внешними силами.
Определение пластичности и вязкости производится следующими методами:
- методы, основанные на проникании индентора правильной геомет-рической формы в материал (игла и пестик прибора Вика для определения свойств вяжущих веществ, игла пенетрометра для определения свойств органических вяжущих веществ, конус для определения свойств раствор-ных смесей);
- методы, основанные на определении величины расплыва массы правильной геометрической формы (вискозиметр Суттарда для определе-ния свойств вяжущих веществ, усеченный конус для определения свойств бетонных смесей);
- методы, основанные на определении скорости истечения испыты-ваемой массы через капилляр заданного размера для определения свойств лакокрасочных составов.
Регулировать вязкопластичное состояние материала можно примене-нием поверхностно-активных веществ (ПАВ), которые понижают поверх-ностное натяжение у границы раздела фаз:
- воздухововлекающие ПАВ представляют собой систему «эмульсия в воде» и при перемешивании образуют пену, вовлекая воздух в мелкопо-ристом состоянии. Происходит увеличение объема теста, повышается пла-стичность. К ним относятся нейтрализованная воздухововлекающая смола СНВ, абиетат натрия;
- гидрофильные ПАВ улучшают процессы скольжения частиц отно-сительно друг друга. При сохранении необходимой пластичности гидро-фильные ПАВ позволяют снизить расход воды, что значительно повышает долговечность. К ним относится лигносульфонат кальция технический ЛСТ;
- гидрофобные ПАВ. Эти добавки в спокойном состоянии образуют защитную гидрофобную пленку на поверхности частиц, препятствующую попаданию гигроскопической влаги из окружающей среды, а при переме-шивании играют роль пластификатора. К ним относятся мылонафт, аси-дол, асидол-мылонафт, олеиновая кислота.
Гидрофильные и гидрофобные добавки максимально работают тогда, когда покрывают каждое зерно материала мономолекулярным слоем. Рас-ход их при этом составляет 0,15… 0,45 % от массы цемента.
Благодаря пластифицирующему действию добавок происходит: сни-жение трудоемкости при укладке смесей; снижение расхода связующего вещества; повышение морозостойкости; повышение коррозионной стой-кости и долговечности.
3 Эксплуатационные свойства строительных материалов
Эксплуатационные свойства строительных материалов определяются общим понятием – долговечностью, т.е. способностью материалов сохра-нять приданные ему свойства в процессе эксплуатации. Факторы, способ-ные вызвать ослабление разрушение структуры материала, называются агрессивными, а развивающиеся под их действием процессы – процессами коррозии. Коррозионные факторы (физические, химические, биологиче-ские) позволяют материалу проявлять или изменять свои физические, хи-мические и биологические свойства.
Воздухостойкость – способность материалов сохранять свою проч-ность при циклическом увлажнении и высушивании при положительных температурах.
|
a разм = (Rсж / Rсж) ³ 0,85, т.е. допускается потеря прочности при нахождении в воде не более 15%.
Морозостойкость -- способность материалов сохранять свою проч-ность при циклическом замораживании и оттаивании в водонасыщенном состоянии. Определяются коэффициентом морозостойкости a мрз ³0,95, т.е. допускается потеря прочности при этом не более 5%. Морозостой-кость оценивается в циклах.
Биостойкость -- способность материалов сохранять свою прочность при контакте с живыми организмами, т.е. не являться для них питательной средой.
Химстойкость -- способность материалов к химическим превраще-ниям под влияние веществ, с которыми данный материал находится в соприкосновении. Различают полезные превращения (химическая активность вяжущих веществ) и вредные превращения (потеря активности вяжущих веществ при длительном нахождении в условиях влажного воздуха за счет гигроскопичности). Вид превращений зависит от химического и минерального составов, а для приближенной оценки химической стойкости пользуются модулем основности Мо (таблица 1).
Мо = (CaO + MgO + R2O)/(SiO2 + Al2O3)
Таблица 1 – Модуль основности некоторых материалов
| Материал | Мо | Отношение к действию кислот и щелочей |
| Кварцевый песок, SiO2=95-98% | Очень мал | Стоек к кислотам, кроме плавиковой кисло-ты. Взаимодействует с основными оксидами |
| Жидкое стекло | 0,25-0,50 | Вместе с кварцевым песком образует кисло-тоупорную, но не стойкую к щелочам массу |
| Цементный камень. CaO=60-70% | 1,5 | Кислоты разрушают, а щелочи не действуют |
| Известняк, мра- мор, доломит | Очень высок | Легко разрушаются кислотами, стойки к щелочам |
4 Физико-химические свойства строительных материалов
Физико-химические свойства строительных материалов -- спо-собность материалов проявлять (изменять) свои химические свойства в зависимости от своего физического состояния.
4.1 Степень дисперсности и удельная поверхность
Химические превращения вещества обусловливаются разностью внутренних энергий веществ, вступающих в реакцию и веществ – продук-тов реакции. Внутренняя энергия зависит от вида, количества данного ве-щества и от степени его дисперсности. По мере дробления вещества уве-личивается его удельная поверхность Sуд. Дисперсность – величина об-ратная размеру частиц. Однако Sудвеличина условная, т.к. зависит от ме-
тода ее определения. Поэтому для сравнения необходимо пользоваться только одним методом и одними размерностями (см2/см3 = см-1; см2/г):
- по воздухопроницаемости (метод КК – Козенц-Карман) -- внешняя удельная поверхность S׳уд;
- по адсорбции газа (количество адсорбита, покрывающего насыщен-ным мономолекулярным слоем поверхность частиц порошка) – внутрен-няя удельная поверхность S״уд.
Отношение внутренней и внешней удельной поверхности определяет степень агрегирования (раздробленности) вещества, т.е. его способ-ность к быстрому протеканию химических процессов.
Химическая активность материала повышается в результате действия двух факторов:
- количественно, т. е. за счет увеличения свободной поверхности
расширяется фронт химической реакции и она протекает более полно и быстрее. Так увеличение S׳уду портландцемента марки 400 на 1000 см2/г повышает его марку до 500 за счет более полного прохождения реакции;
- качественно, т.е. за счет увеличения свободной поверхностной энер-гии вещества. Происходит разрушение кристаллической структуры, про-исходит аморфизация, которая повышает химическую активность. Этому способствует также автоклавная обработка материалов.
4.2 Способность строительных материалов к образованию дисперсных систем
Дисперсная система – такая система, в которой вещество находится в состоянии более или менее высокого раздробления (дисперсности) и равномерно распределена в окружающей среде. Она представляет собой совокупность дисперсных частиц (дисперсная фаза), окруженной непре-рывной дисперсионной средой.
Дисперсные системы классифицируются по ряду признаков: а) по фазовому состоянию:
- однофазные (гомогенные) системы – молекулы и ионы. Отсутствует граница раздела между фазой и средой (истинные растворы);
- многофазные (гетерогенные) системы, у которых существует грани-ца раздела фаз. Данная система характеризуется различием свойств в раз-ных областях пространства, занимаемого системой и существованием ре-альных физических поверхностей раздела
б) по размеру частиц дисперсной фазы:
- молекулярные (истинные) системы – в которых имеются гомогенные частицы размером < 10-7см с Sуд>107 см-1;
- коллоидные системы – высокодисперсное состояние вещества, при
котором отдельные частицы системы являются не молекулами, а агрега-тами, состоящими из множества молекул. Частицы имеют размеры 10-5…10-7 см с Sуд=105…107 см-1;
- тонкодиспеые (микрогетерогенные) системы. Частицы такой систе-мы имеют размеры 10-4…10-5см с Sуд=103…105 см-1;
- грубодисперсные системы. Частицы такой системы имеют размеры >10-4 см с Sуд<103 см-1.
в) по наличию взаимодействия между частицами:
- свободнодисперсные системы – бесструктурные системы, в которых
частицы дисперсной фазы не связаны друг с другом в одну сплошную сет-ку и способны независимо друг от друга перемещаться в дисперсионной среде под влиянием теплового движения или силы тяжести. Обладают те-кучестью и другими свойствами жидкости (эмульсии, разбавленные сус-пензии, аэрозоли). Общее название – золь;
- связанно дисперсные системы -- системы, в которых частицы дис-персной фазы связаны друг с другом за счет молекулярных сил, образуя в дисперсионной среде своеобразные пространственные сетки или каркасы (структуры). Они обладают в некоторой степени свойствами твердого тела (концентрированные суспензии, пасты). Общее название – гель.
Переход системы их состояния золь в состояние гель – гелеобразова-ние (коагуляция).
г) по агрегатному состоянию (таблица 2):
д) по способности взаимодействия дисперсной фазы и дисперси-онной среды (данная классификация применима только для систем с жидкой дисперсионной средой):
- обратимые системы, в которых дисперсная фаза растворяется в дисперсионной среде – лиофильные (гидрофильные, если жидкостью яв-ляется вода);
Таблица 2 – Классификация систем по агрегатному состоянию