Структура будівельних матеріалів Основні технічні властивості (стр. 1 из 3)
Структура будівельних матеріалів. Основні технічні властивості
Загальні положення. Класифікація. Структура
Надійність споруд і техніко-економічна ефективність будівництва значною мірою залежать від правильного вибору матеріалів. Сучасне будівництво має у своєму розпорядженні широку номенклатуру матеріалів, вибір яких визначається характером конструкцій, умовами їхньої роботи і техніко-економічними показниками.
Однієї з основних задач будівельного матеріалознавства є розробка шляхів керування властивостями і створення матеріалів з необхідними якісними показниками.
До будівельних матеріалів відносять природні і штучні речовини і вироби з них, які застосовують для зведення будинків і споруд. Усе різноманіття будівельних матеріалів можна класифікувати по ряду ознак: походженню, структурі, найбільш характерним властивостям, призначенню, способу виготовлення і т.д. (табл. 2.1).
Таблиця 2.1.Класифікація будівельних матеріалів
| Походження | Структура | Властивості | Спосіб виготовлення | Призначення |
| Неорганічні:металічні, неметалічніОрганічні:низькомолекулярні, високомолекулярні (полімерні),Змішані (органо-мінеральні) | Конгломератні, неконгломератні, щільні, пористі, волокнисті, кристалічні, склоподібні, аморфні | Важкі, легкі, пластичні, пружні, морозо-, водо-, кислото-, термо-, вогнестійкі; легкоплавкі, тугоплавкі, вогнетривкі | Безвипалювальні: отримані фізико-механічною обробкою гірських порід, деревини й іншої сировини, формуванням сумішей, що включають в’яжуче і заповнювачі, одержувані випалом: до спікання, до плавлення | Стінові, покрівельні, лицювальні, гідроізоляційні, теплоізоляційні. Спеціальні: для дорожніх покрить, зведення гребель, прокладки трубопроводів, сантехнічні та ін. |
Якість будівельних матеріалів визначається сукупністю їхніх технічних властивостей, знання яких необхідно для зведення довговічних споруджень і ефективного виконання будівельних робіт. Звичайно головними при оцінці якості матеріалів є показники призначення (склад, структура, транспортабельність і ін.) і надійності (безвідмовність, ремонтопридатність, зберігаємість і ін.). Основним економічним показником є витрати на розробку і виготовлення матеріалу з необхідними властивостями.
Властивості будівельних матеріалів визначаються їх хімічним і фазовим складами, що характеризують відповідно процентний вміст хімічних елементів чи оксидів і окремих складових частин (фаз). Так, хімічний склад мінеральних неметалічних матеріалів – найбільш великої групи будівельних матеріалів – включає звичайно наступні оксиди: SiО2, CaО, MgО, Na2O, К2О, Аl2O3, Fe2O3, FeО, H2O. Фазовий склад їх представлений різноманітними природними чи штучними силікатами, алюмосилікатами, алюмінатами, феритами, оксидами і їх гідратами.
Поряд зі складом істотний вплив на властивості матеріалів чинить їхня структура, тобто будова, що характеризується величиною, формою і просторовим розташуванням складових часток. Більшість матеріалів і твердих речовин, що їх складають, мають кристалічну будову (рис. 1.1), що характеризується правильним розташуванням часток у просторі. Для кристалічної будови характерна анізотропія, тобто неоднаковість властивостей у різних напрямках, наявність певної температури плавлення і т.д. Деякі речовини при однаковому складі можуть мати різну кристалічну структуру і різко відмінні властивості. Це явище називається поліморфізмом. Наприклад, кристали графіту містять шари, складені з правильних шестикутників, а кристали алмаза мають вид куба. Різна кристалічна структура вуглецю в цих матеріалах приводить до різкого розходження їхніх властивостей.
Поліморфізм характерний для кварцу, багатьох силікатів і інших речовин, що складають матеріали. У реальних кристалах можливі різні відхилення від ідеальної будови чи дефекти, що істотно впливають на фізико-механічні властивості матеріалів.
Речовини, що не мають кристалічної будови, називають аморфними. До них можна віднести багато полімерів і деякі види гірських порід. Аморфні речовини - ізотропні, тобто мають однакові властивості у всіх напрямках, не мають строго визначеної температури плавлення, хімічно більш активні. Проміжним між аморфним і кристалічним станами є склоподібний стан, характерний для будівельного скла, шлаків, деяких гірських порід.
Деякі з будівельних матеріалів можна розглядати як дисперсні системи, що складаються з дрібних часток однієї речовини (дисперсної фази), розподілених в іншій (дисперсійному середовищі). Грубодисперсні системи мають розмір часток дисперсної фази більше 100 мкм. Прикладами їх є порошкоподібні матеріали, суспензії й емульсії, стійкі в зваженому стані.
Колоїднодисперсні системи з розмірами часток 1…100 мкм стійкі до седиментації, тобто розшарування під дією сил ваги. Частки їх світяться в світлі,що проходить, переміщаються до електродів при проходженні електричного струму (електрофорез). Прикладами колоїднодисперсних систем можуть служити глиняне, цементне, вапняне тісто, кольорове скло, латекси, пігменти й ін.
У виробництві будівельних матеріалів важливе значення мають такі колоїдно-хімічні процеси, як набрякання, розчинення, гелеутворення, коагуляція, пептизація, адсорбція і т.п.
Гелі – системи, що утворилися в результаті дії молекулярних сил зчеплення між колоїдними частками. Гелеутворення відбувається при твердінні цементу і виробництві різних полімерних матеріалів. Під дією механічних зусиль гелі розріджуються. Це явище називається тиксотропією і виникає, наприклад, при вібруванні бетонних сумішей.
У колоїдних системах довільно протікають процеси злипання й укрупнення часток, що називаються коагуляцією. Процеси, зворотні коагуляції, називають пептизацією, вони відбуваються, наприклад, при введенні в бетонні суміші пластифікуючих добавок.
Концентрування і поглинання речовин на поверхні розділу фаз називається адсорбцією. Речовини, що адсорбуються, чи так звані поверхнево-активні речовини, широко застосовують у технології будівельних матеріалів для пластифікації розчинних і бетонних сумішей, їхньої гідрофобізації, одержання стійких емульсій і суспензій і т.д.
Технологія будівельних матеріалів є різновидом хімічної технології. Вона включає процеси подрібнення, перемішування, формування, термічної обробки і т. д. Для створення сучасних будівельних матеріалів застосовують надтонке подрібнення, вібраційну й акустичну технології, високі тиски і температури, електро- і паророзігрів, полімеризацію й інші способи обробки.
Для випробування матеріалів широко використовують новітні методи хімічного аналізу, рентгеноструктурний, петрографічний, диференційно-термічний, електронно-мікроскопічний аналізи, ультразвуковий, радіаційний і інші методи контролю.
Витрати на матеріали, що використовуються при зведенні будинків і споруджень, складають більше половини загальної вартості будівельно-монтажних робіт і біля однієї третини капітальних вкладень у народне господарство України. Застосування ефективних матеріалів і конструкцій є одним з найбільш важливих напрямків технічного прогресу в будівництві. До ефективних будівельних матеріалів відносяться конструкції і деталі підвищеної заводської готовності, що дозволяють здійснювати будівництво будинків і споруджень індустріальними методами. Найбільшим резервом підвищення ефективності будівельних матеріалів є також зниження їхньої матеріалоємності за рахунок впровадження нових полегшених деталей і конструкцій, комплексного використання сировини і відходів промисловості, зменшення питомої витрати сировини, палива й електроенергії, втрат при транспортуванні і збереженні і т.д.
Основні фізико-механічні властивості матеріалів
Властивості будівельних матеріалів класифікують по характеру їх відношення до різних впливів навколишнього середовища. В окремі групи виділяють звичайно властивості, що характеризують відношення матеріалів до хімічних, фізичних і механічних впливів. Похідними від хімічних, фізичних і механічних властивостей є технологічні властивості, що характеризують відношення матеріалу до сприйняття технологічних операцій (розколювальність, зварюваність, формівність і ін.). Властивості матеріалів взаємозалежні й обумовлені їхнім походженням, складом, структурою, способом одержання. Найбільш важливими для будівельних матеріалів, що застосовуються у будівництві, є фізичні і механічні властивості, що характеризують стан матеріалів, їхнє відношення до води і температури, а також механічних впливів.
Густина і пористість. Густина характеризує масу речовини в одиниці об’єму. Розрізняють дійсну густину речовини (ρ) і середню густину матеріалу з урахуванням наявних у ньому пор і порожнин (ρ0). Густину речовини і матеріалу обчислюють по формулах:
де m – маса; Va – об’єм речовини, з якого складається матеріал, в абсолютно щільному стані; V – об’єм матеріалу.
Відношення середньої густини матеріалу ρ0 до дійсної густини речовини ρ характеризує ступінь заповнення об’єму матеріалу твердою речовиною і називається відносною щільністю:
Пористість показує ступінь заповнення об’єму матеріалу порами:
Для сипучих матеріалів по наведеній вище формулі, де ρ0 – насипна густина, можна знайти міжзернову порожнистість.
Пористість – найважливіший показник структури матеріалів, з нею тісно зв’язані їхні технічні властивості. При цьому значення має не тільки величина загальної пористості, але і будова порового простору, наявність відкритих і закритих, капілярних і некапілярних пор і т.д. Наприклад, морозостійкість бетону при збільшенні об'єму відкритих, заповнюваних водою пор зменшується, а при збільшенні закритих, навпаки, зростає.