WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |
-- [ Страница 1 ] --

С.В.Максимов, П.Г.Комохов, В.Б.Зверев МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших

учебных заведений, обучающихся по направлению «Строительство» Издательство Ассоциации строительных вузов Москва 2000 УДК 691 : 624. 012. 3 : 614.876(075) ББК 38. Зя73 М17 Рецензенты: кафедра производство строительных конструкций Саратовского государственного технического университета (зав. кафедрой доктор технических наук, профессор Иващенко Ю.Г.), зав. кафедрой строительных материалов, доктор технических наук, профессор БГТА Лесовик B.C.

Материалы для конструирования защитных покрытий.

М17 Учеб. пособие/ С.В.Максимов., П.Г.Комохов, В.Б. Зверев;

под редакцией С.В.Максимова. Москва: Изд-во АСВ, 2000. - 180с.

ISBN 5-93093-069-4 Представлены научные подходы к структуре, свойствам строительных материалов. Дана классификация строительных материалов, определены их основные защитные свойства;

показаны новые представления теории и практики управления теплофизическими свойствами, плотностью изделий и покрытий.

Рассмотрены природные и искусственные строительные материалы, защитные покрытия на их основе, нормативные требования, направления повышения их термических и акустических свойств, долговечности, водостойкости.

УДК 691 : 624. 012. 3 :

614.876(075) ББК 38. Зя © Максимов С.В., Комохов П.Г., Зверев В.Б., ISBN 5-93093-069-4 © Оформление: УлГТУ, © Изд-во АСВ, ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие.......................................................................................... Введение................................................................................................ Раздел первый. Научные основы защитных покрытий................. Глава 1. Начальные сведения о материалах................................... 1.1. Некоторые исходные понятия.............................................. 1.2. Классификация материалов защитных покрытий................ 1.3. Структура строительных материалов................................... 1.4. Структурная механика, её составные части......................... 1.5. Долговечность изделий и сооружений................................ Глава 2. Свойства защитных покрытий........................................... 2.1. Понятия о механических, физических, химических, архи тектурно-художественных свойствах материалов..............

2.2. Основные структурно-механические и энергетические принципы, демпфирование элементов структуры материала................................................................................... 2.3. Дефекты в структуре цементных и керамических материалов, теоретические концепции их прочности..................... 2.4. Основные понятия о теплопередаче, состояние теории теп- лофизики строительных материалов................................. 2.5. Теоретические принципы формирования оптимальной пористой структуры теплоизоляционных материалов............... Раздел второй. Строительные материалы и их применение в защитных покрытиях................................................ Глава 3. Природные строительные материалы............................... 3.1. Лесные породы..................................................................... 3.2. Породообразующие минералы............................................. 3.3. Горные породы.................................................................... 3.4. Распространенность элементов в земной коре.................... Глава 4. Искусственные строительные материалы........................ 4.1. Технология........................................................................... 4.2. Неорганические вяжущие и материалы................................ 4.3. Растворы и бетоны на основе неорганических вяжущих ве ществ................................................................................

4.4. Керамические материалы и изделия.................................... 4.5. Стеклянные и другие плавленые материалы и изделия....... 4.6. Органические вяжущие вещества и материалы................... Раздел третий. Устройство защитных покрытий............................ Глава 5. Защитные покрытия на основе природных и искусствен ных материалов...............................................................

5.1. Теплоизоляционные и акустические материалы и изделия.

5.2. Отделочные защитные материалы....................................... 5.3. Полимерные строительные материалы и изделия............... 5.4. Гидроизоляционные материалы........................................... Глава 6. Классификация защитных покрытий, нормативные тре- бования, направления совершенствования.................

6.1. Назначение, классификация защитных покрытий................ 6.2. Нормативные требования при устройстве защитных покры тий.................................................................................

6.3. Теплоизоляционные, отделочные и специальные покры тия..:....................................................................................

6.4. Водоизоляционные покрытия.............................................. 6.5. Развитие теории и практики защитных покрытий............... Список литературы.............................................................................. ПРЕДИСЛОВИЕ Учебное пособие «Материалы и конструирование защитных покрытий» предназначено для студентов строительных специальностей вузов.

Многочисленность и разноплановость разделов курсов строительных материалов не дает возможности их полного углубленного освоения.

Выделение и детальное рассмотрение отдельных разделов на основе передовых достижений науки и техники позволяет ознакомить студентов с многообразием проблем их развития. Одновременно прививаются навыки самостоятельного нахождения путей решения возникающих трудностей как производства строительных материалов, так и их эксплуатации. Это особенно важно при работе по многоуровневой системе обучения. После изучения основ строительных материалов по программе бакалавров, второй уровень, соответствующий подготовке магистров, предусматривает именно такое направление.

Инженеры-строители, проектировщики и производственники должны учи тывать разрушение строительных материалов при проектировании конструкций зданий и сооружений. Их сохранность позволяет не только уменьшить объемы природоразрушительных работ по разработке новых карьеров, сократить значительные энергетические, трудовые затраты на строительство новых зданий, но и создает лучшую среду обитания человеку, в которой уменьшены вредные воздействия, сопровождающие разрушения и ремонт строительных сооружений. Особо важной проблемой является снижение теплопотерь зданий и сооружений.

Защитные покрытия на основе строительных материалов представлены не только как сумма расширяющихся знаний о каждом материале, но и как ком плекс общих положений, принципов, законов, понятий о материалах как в кон кретной, так и абстрактно-логической формах.

В учебном пособии использованы результаты исследований, выполненные П.Г.Комоховым, И.А.Рыбьевым, А.П.Пожниным, В.В.Прокофьевой, С.В.Максимовым, Л.А.Полонским, Б.А.Григорьевым, В.Б. Зверевым.

Предисловие, введение написаны С.В. Максимовым. Первая, вторая и шестая главы написаны П.Г. Комоховым и С.В. Максимовым. Третья, четвертая и пятая главы написаны С.В. Максимовым и В.Б. Зверевым.

Авторы выражают глубокую благодарность коллективу кафедры производство строительных конструкций Саратовского государственного технического университета, руководимому д-ром техн. наук, профессором Иващенко Ю.Г., и зав. кафедрой строительных материалов, д-ру техн. наук, профессору Белгородской государственной технологической академии Лесовику B.C. за ценные замечания, сделанные ими при рецензировании рукописи.

ВВЕДЕНИЕ Технический прогресс в строительстве существенным образом зависит от уровня развития предприятий промышленности строительных материалов, от их оснащенности современной технологией, позволяющей чутко реагировать на возрастающие требования строительного производства, среди которых дол говечность сооружений, изделий и материалов занимает ведущее место.

Изменение свойств материалов во времени носит необратимый характер и зависит от эксплуатационных нагрузок и взаимодействия со средой.

Воздействия агрессивной среды приводят к существенным изменениям деформационно-прочностных свойств материалов. Актуальность проблемы перспективного развития защитных покрытий потребовала обосновать ряд научных положений по выдвижению теплопроводности как целевой установки. Создание и применение новых видов теплоизоляционных материалов, совершенствование тепловой изоляции ограждающих конструкций неизбежно приводят к сокращению расхода топлива на отопление зданий и повышению комфорта в помещениях. Применение эффективных акустических материалов, близких по своей структуре и методам получения к теплоизоляционным материалам, повышает культуру строительства, комфортность жизненных условий. Совершенствование технологий гидроизоляционных и огнеупорных материалов увеличивает эксплуатационные свойства конструкций и продолжительность их примене ния.

Представлены современные концепции прочности и деформативности материалов, действия добавок и демпфирующих компонентов в структуре строительных материалов.

Настоящее учебное пособие призвано ознакомить студентов строитель ных специальностей высших учебных заведений с наукой о строительных ма териалах, их тепло, звуке, гидро и огнезащитных свойствах.

Предлагаемое учебное пособие «Материалы для конструирования защит ных покрытий» разделено на три самостоятельных и взаимосвязанных раздела. Первый раздел посвящен изложению основных теоретических положений науки о строительных материалах, принципах и закономерностях, действующих в этой науке, качественных характеристиках, методах определения качества материалов и их эффективности и других вопросах, относящихся ко всем материалам и изделиям. Второй основной раздел книги содержит научные и практические сведения о природных и искусственных строительных материалах. При этом уделяется особое внимание к восприятию материалами эксплуатационных нагрузок в зданиях и сооружениях. Третий раздел рассматривает применение строительных материалов в защитных покрытиях, нормативные требования при их устройстве и направления совершенствования.

РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ Глава 1. Начальные сведения о материалах 1.1.

Некоторые исходные понятия Вещества, составляющие материалы и тела состоят, как известно, из мо лекул - наименьших частиц данного вещества, сохраняющих его состав. Мо лекулы, в свою очередь, состоят из наименьших частиц, называемых атомами.

Атомы и молекулы находятся в беспрерывном движении подобно самой мате рии. Атомы различаются между собой по массе, способности соединяться с другими атомами, а также некоторыми качественными характеристиками, именуемыми химическими свойствами. Они остаются электрически нейтраль ными, но в центре атома находится ядро, в котором сосредотачивается основ ная масса атома. Ядро несет положительный электрический заряд, тогда как окружающие его электроны несут отрицательные заряды и вращаются вокруг ядра по тем или иным орбитам.

Определенный вид атомов с одинаковым химическим свойством называется химическим элементом. Они могут быть как свободными, так и соединенными в молекулах. Последние, в свою очередь, могут образовывать простые вещества (металлы и металлоиды), если их молекулы состоят из одного химического элемента, и сложные вещества, если их молекулы состоят из атомов разных химических элементов. Среди сложных веществ, встречающихся при образовании строительных материалов, особенно распространены оксиды (молекулы состоят из атомов кислорода и атомов другого элемента), основания (молекулы состоят из атомов металла и связанных с ним гидроксильных групп ОН), кислоты (в молекулах содержатся атомы водорода, способные замещаться атомами металлов) и соли (молекулы состоят из атомов металлов и кислотных остатков).

Различные атомы и их скопления под влиянием действия различных ти пов связей - ионных, ковалентных, молекулярных, водородных и металличе ских - образуют различные материалы. Наиболее распространенными являют ся молекулярные связи, именуемые также связями Ван-дер-Ваальса. Они срав нительно слабые, возникают при низком уровне энергии. Весьма типичной химической связью является ионная, а также очень широко представлены в материалах связи ковалентные. Величины энергии этих связей весьма значи тельные, особенно в сравнении с энергией ван-дер-ваальсовой связи. Большим значением энергии отличается и металлическая связь, характерная для метал лических материалов. В природе материалов важную роль играет водородная связь, хотя она имеет относительно слабую энергию.

Следует отметить, что в чистом виде эти пять разновидностей (типов) связей встречаются редко, поскольку практически всегда налагается два типа связи или более, хотя обычно и превалирует одна из них. Структура выражает способ объединения атомов, составляющих данный материал, или ансамбль атомов, а также молекул. В результате таких объединений образуется либо упорядоченная структура кристалла, либо неупорядоченная структура аморф ного тела. Возможны отклонения от этих крайних идеальных типов структур в реальных материалах с наличием дефектов и несовершенств как в расположе нии частиц, так и в связях между ними.

1.2. Классификация материалов защитных покрытий Классификация теплоизоляционных материалов. Функциональное на значение теплоизоляционных материалов - устройство тепловой изоляции ог раждающих конструкций зданий и сооружений, технологической аппаратуры, тепловых и холодильных установок и различных трубопроводов.

Теплоизоляционные и акустические материалы классифицируют по не скольким основным признакам: виду исходного сырья, внешнему виду, струк туре, средней плотности, сжимаемости, теплопроводности, сгораемости, ко эффициенту звукопоглощения, продуваемости, модулю упругости.

По виду исходного сырья все теплоизоляционные материалы подразде ляют на две большие группы: неорганические и органические. К неорганиче ским материалам относят минеральную и стеклянную вату, пеностекло, ячеи стые бетоны, вспученный перлит и вермикулит, теплоизоляционную керамику, асбестосодержащие теплоизоляционные массы и изделия.

Органическими материалами считают материалы на основе древесины, различных стеблей растений (торфа, льна, камыша, соломы), а также газонаполненные пластмассы. Существует еще группа материалов, изготовленных из смеси органического и неорганического сырья, например фибролит, получаемый из древесной шерсти и цемента. Преобладание органической или неорганической части является основанием для отнесения материалов к одной из групп.

По структуре теплоизоляционные материалы подразделяют на волокни стые, ячеистые и зернистые.

По средней плотности в сухом состоянии, кг/м3, теплоизоляционные ма териалы подразделяют на группы и марки: 1 группа - особо легкие материалы (ОЛ), имеющие марки 15, 25, 35, 50, 75 и 100;

2 группа - легкие (Л) - 125, 150, 175, 200, 225, 250, 300, 350;

3 группа - тяжелые (Т ) - 400, 450, 500 и 600. Ма териалы с промежуточным значением средней плотности относят к ближай шей большей марке.

По теплопроводности теплопроводные материалы делят на классы: мало теплопроводные [А, до 0.058 Вт/(м-°С)];

среднетеплопроводные [0.058...

0.116 Вт/(м°-С)] и повышенной теплопроводности [X = 0.116... 0.18 Вт/(м °С)]. Для подразделения на классы значения теплопроводности материалов определяют при температуре 25 °С.

По жесткости теплоизоляционные изделия подразделяют на виды, исходя из относительной деформации сжатия под удельной нагрузкой (табл. 1.1).

Таблица 1.1 Классификация изделий по жесткости Вид изделий Относительное ся сатие, %при юй нагрузке, МПа 0.02 0.04 0. до 10 до Мягкие более 30 от 6 до Полужесткие Жесткие до Повышенной жест- кости Твёрдые По возгораемости теплоизоляционные материалы подразделяют на три группы: несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Классификация акустических материалов. Применение акустических материалов призвано создавать комфортные условия в помещениях, снижая вредное воздействие шума на организм человека.

В основе классификации лежит функциональное назначение этих мате риалов: а) звукопоглощающие (в конструкциях облицовок внутренних поме щений и для отдельных звукопоглотителей);

б) звукоизолирующие (в много слойных ограждающих конструкциях).

Звукопоглощающие материалы классифицируют по следующим основ ным признакам: жесткости, эффективности, структуре и возгораемости.

По жесткости эти материалы подразделяют на мягкие, полужесткие, же сткие и твердые.

По структурным признакам звукопоглощающие материалы подразделяют на пористо- волокнистые, пористо-ячеистые (из ячеистого бетона и перлита) и пористо- губчатые (пенопласты, резины).

По возгораемости они рассматриваются как несгораемые, трудносгорае мые и сгораемые.

По эффективности звукопоглощаемые материалы подразделяют на три класса в зависимости от величины среднеарифметического реверберационного коэффициента а: 1-й класс - а свыше 0.8;

2-й класс - а от 0.8 до 0.4;

3-й класс -а от 0.4 до 0.2.

По структуре звукоизоляционные материалы подразделяют на пористо волокнистые, пористо-губчатые.

Классификация огнеупорных материалов. В основе огнеупорных материалов лежат: химико-минеральный состав, огнеупорность, пористость, термическая обработка.

По химико-минеральному составу материалы делят на типы: кремнеземи стые, алюмосиликатные (низко-, средне- и высокоглиноземистые), магнези- альные, магнезиальноизвестковые, магнезиальношпинелидные, магнезиально силикатные, углеродистые, карбидкремниевые, цирконистые, окисные и неки слородные.

По огнеупорности материалы различают на огнеупорные (от 1580 до 1770°С), высокоогнеупорные (1770 до 2000 °С) и высший огнеупорности (свыше 2000 °С);

по пористости - на особо плотные (с открытой пористостью до 3 %), высокоплотные (свыше 3 до 10 %) и далее вплоть до легковесных (от 45 до 85 %) и ультралегковесных (свыше 85 %);

по термической обработке обожженные, безобжиговые, горячепресованные и плавленолитные.

Классификация гидроизоляционных материалов. Гидроизоляционные материалы предназначены для защиты конструкций от действий агрессивных сред они классифицируются по назначению, природе их основы, технологиче ским особенностям.

По назначению гидроизоляционные материалы подразделяются на анти фильтрационные, антикоррозионные и герметизирующие.

По природе их основы - на асфальтовые, минеральные, пластмассовые и металлические.

По технологическим особенностям - на вяжущие, смеси с минеральными наполнителями и на штучные материалы.

Асфальтовыми гидроизоляционными материалами называют материалы на основе смешения битумов и битуминозных веществ с минеральными.

Минеральные гидроизоляционные материалы приготавливают на основе различных цементов, шлаков и глин, их применяют для окраски и штукатурки сооружений, для массивных покрытий.

Металлические гидроизоляционные материалы представляют собой лис ты из латуни, меди, алюминия, нержавеющей стали, применяемые для монти руемой гидроизоляции и уплотнения деформационных швов. Алюминевая и медная фольга используется для усиления рулонных материалов.

Пластмассовые гидроизоляционные материалы - это искусственные мате риалы из пластических масс, приготавливаемых на основе полимерных вяжу щих, их смесей с минеральными наполнителями и различными добавками.

Наибольшее применение для гидроизоляции нашли окраски на основе эпок сидных, полиэфирных и фенольных смол, штукатурки на основе плёнки и лис ты из полиэтилена и поливинилхлорида, каучуковые герметики.

1.3. Структура строительных материалов Под структурой, или внутренним строением строительных материалов, как и других физических тел, понимают пространственное расположение час тиц разной степени дисперсности (измельченности) с совокупностью устойчи вых взаимных связей и порядком сцепления их между собой. Кроме того, в понятие структуры входит расположение пор, капилляров, поверхностей раздела фаз, микротрещин и других структурных элементов. Под микрострук турой подразумеваются расположение, взаимоотношение и взаимосвязь раз личных по размеру атомов, ионов и молекул, из совокупности которых слага ются различные вещества в твердом, жидком и газообразном состояниях.

Атомно-молекулярное строение определяют макроскопические особенности материала. На макроскопическом уровне устанавливаются в той или иной мере устойчивое расположение, взаимосвязь и порядок сцепления макромолекул, мицелл, кристаллов, кристаллических обломков и сростков, аморфных сравнительно крупных частиц, составляющих материалы, а также соотношения компонентов.

Основной формой правильного расположения микрочастиц в пространст ве является кристаллическая решетка. Каждому типу связи соответствует свой характерный тип кристаллической решетки, а именно: ионная решетка;

моле кулярная, или поляризационная, решетка, формирующаяся с помощью сил Ван-дер-Ваальса;

атомная с резко выраженной в решетке ковалентной связью;

металлическая;

решетка с водородными связями. Особенностью твердых тел является взаимосвязь, или корреляция, положений соседних атомов с ближним и дальним порядками. В кристаллических решетках дальний порядок распространяется на большие области, а ближний порядок - на окружение данного атома. Все тела с кристаллической решеткой имеют правильную форму кристаллов, хотя реальные кристаллы обычно имеют отклонения от идеальной геометрической структуры.

Твердые вещества, не обладающие кристаллической структурой, относят ся к аморфным. К самым распространенным представителям аморфных тел относятся стекла. Беспорядочное расположение атомов и молекул в аморфных телах усложняет изучение их структуры. О ней нередко судят по некоторым косвенным показателям. Так, например, аморфные вещества при нагревании способны плавиться постепенно, не имея определенной температуры плавле ния;

они обладают изотропностью, т.е. одинаковыми свойствами во всех на правлениях. Упорядоченность расположения частиц может наблюдаться (например, у стекол) только в небольших элементах объема (ближний поря док). В этих зонах структура именуется как кристаллитная: между кристалла ми, занимающими микрообъемы, находятся прослойки полностью аморфного вещества.

У твердых тел имеются значимые признаки их кристалличности: опреде ленная температура плавления - перехода их в жидкое состояние ;

определен ная геометрическая форма кристаллов, которая остается характерной для данного вещества;

анизотропия, т.е. неодинаковость свойств в различных на правлениях. Тепловой эффект кристаллизации - основной критерий этого фа зового превращения.

Кристаллическое и аморфное строение нередко может быть присуще од ному и тому же веществу, например кристаллический кварц (кристобалит) и кварцевое стекло имеют общий химический состав SiO2. Одно и то же кри сталлическое вещество может находиться в различных формах (модификациях) существования кристаллов, что известно под названием по лиморфизма. Полиморфизм вызывает изменение свойств при сохранении по стоянным состава вещества, что лишний раз указывает на важную роль струк тур в становлении качества материалов. Так, например, алмаз и графит, явля ясь кристаллическими модификациями углерода, обладают резко различной твердостью: алмаз применяется при бурении прочных горных пород, графит мягок и используется как смазка или для стержня карандаша. Другой пример кристаллические модификации железа, получающиеся при его нагревании и охлаждении: при высокотемпературной форме кристаллов железо способно сравнительно много растворять углерода, тогда как при низкотемпературной углерод практически нерастворим, а при охлаждении железа из растворенного состояния углерод переходит в механическую примесь.

Структура не остается неизменной, «застывшей». В пространстве и во времени она непрерывно претерпевает изменения. Этому, в частности, способствует постоянное движение элементарных частиц, атомов, молекул, взаимодействие материала с окружающей средой.

Микроструктура и ее изменения изучаются с помощью оптических мето дов, электронной микроскопии, дифференциально-термического анализа, рентгенографии и др. В зависимости от характера связей контактируемых час тиц однородные микроструктуры разделяют на коагуляционные, конденсаци онные и кристаллизационные.

Коагуляционными называют структуры, в образовании которых участ вуют сравнительно слабые силы молекулярного взаимодействия между части цами - ван-дер-ваальсовые силы сцепления, действующие через прослойки жидкой среды. Конденсационными называются структуры, возникающие при непосредственном взаимодействии частиц, или под влиянием химических со единений в соответствии с валентностью контактирующих атомов, или под влиянием ионных и ковалентных связей. Кристаллизационными (или кри сталлическими) называют структуры, образовавшиеся путем выкристаллизо вывания твердой фазы из расплава или раствора и последующего прямого сра стания отдельных кристаллов в прочный их агрегат, в том числе под влиянием химических связей. П.А.Ребиндер, впервые разделивший микроструктуры на эти три разновидности, отмечал возможным и даже более типичным обра зование смешанных структур как совокупности двух или трех однородных, на пример кристаллизационно-коагуляционной и др. При определенных условиях может быть самопроизвольный (спонтанный) переход с различной скоростью коагуляционной структуры в конденсационно-кристаллизационную и др. С ре альным характером микроструктур связаны в известной мере представления об их качественных характеристиках. Так, например, при коагуляционных структурах почти всегда наблюдается пониженная прочность вещества, способность к тиксотропному восстановлению структуры, разрушенной под влиянием ме ханического воздействия, например вибрирования. Конденсационные и осо бенно кристаллизационные структуры придают веществу повышенную проч ность, хрупкость, лишают его тиксотропности.

Определенный объем, иногда значительный, в микроструктуре занимают замкнутые и сообщающиеся поры или те и другие вместе.

В микроструктурах могут встречаться кроме пор другие виды неплотно стей. Среди них дефекты кристаллической решетки в виде так называемых ва кансий, вызванных «испарением» атома из узла решетки;

в виде дислоциро ванных атомов, т.е. перемещенных в междоузлии кристаллической решетки;

в виде примесей кристаллической решетки со значительным искажением каче ства вещества по сравнению с чистыми и сверхчистыми веществами. Особо опасными являются дефекты в виде микротрещин, способных под нагрузками расти с переходом в макротрещину или магистральную трещину, охватываю щую макрообъемы кристаллических агрегатов и тел.

Кроме вяжущего вещества микро дисперсной структурой обладают также приповерхностные слои или контактные зоны в материале, отделяющие вяжу щие вещества от поверхности другого компонента, например зерен заполните ля. Состав и структура тонких контактных слоев (моно- и полимолекулярных) отличаются от основного вяжущего вещества. Отличается от других объемов материал и качество этих слоев, так как оно зависит от пограничных дефектов структуры, прочности сцепления контактируемых веществ и прочего, хотя различие в качестве приповерхностного слоя и остального объема вяжущего вещества является не скачкообразным, а довольно плавным.

«Укладка» микрочастиц происходит компактно, т.е. как бы с учетом принципа наиболее плотной упаковки. Этот принцип характеризуется тем, что в кристаллических телах при укладке атомов, ионов или молекул в кристалле возникает наименьшее остаточное свободное пространство. Однако такой принцип применим не ко всем видам кристаллов, так как при плотной упаков ке может возникнуть меньшая устойчивость равновесия, что, например, не в малой степени зависит от направления валентностей контактируемых частиц.

Макроструктура различима невооруженным глазом. Для наиболее рас пространенных строительных материалов она образована совмещением мик роструктуры вяжущего вещества и полизернистых или иных видов (волокнистых, пластинчатых, угловатых и т.п.) грубодисперсных частиц за полнителя, а также в ней содержится капиллярно-поровая часть. В большой группе особо легких бетонов (ячеистых бетонов) макродисперсные поры в ви де замкнутых ячеек являются как бы своеобразной разновидностью «заполнителя».

Подобно плотной, компактной упаковке частичек в микроструктуре вя жущих веществ, грубозернистые заполнители подбирают с наименьшим объе мом меж зерновых пустот, что позволяет экономить на расходе вяжущего ве- щества. С этой целью зернистые заполнители предварительно разделяют на фракции по размерам, с тем чтобы затем пробным подбором или расчетом найти содержание каждой фракции при плотной их смеси.

Если крупные частицы, например, щебня или гравия в такой мере сбли жены, что контактируют непосредственно друг с другом или через тонкие прослойки вяжущего, то сформировавшаяся структура называется контактной. Если имеется разделение частиц прослойками вяжущего вещества значительно усредненной толщины, то макроструктуру принято именовать порфировой.

В первом приближении оценить вид структуры можно по коэффициенту упаковки. Под коэффициентом упаковки понимают отношение проекции рас стояния между соседними крупными зернами (частицами) на плоскость к их диаметрам:

K = (L - d) d y где Ку - коэффициент упаковки;

L - проекция расстояния между центрами со седних зерен (частиц);

d - диаметр частиц (зерен), для которых вычисляется этот коэффициент, а если частицы (зерна) разного диаметра (размера), то d = r1 + r2, где r1 и r2 - радиусы соседних частиц.

Положительные значения коэффициента упаковки характеризуют порфи ровую структуру, а отрицательные - контактную. При К=0 наблюдается соприкосновение частиц друг с другом без зацепления, т.е. без захода одной частицы за другую. При максимальной плотной упаковке частиц шарообразной формы и одного диаметра с количеством их 74% по объему коэффициент упаковки равен - 0.1. Увеличение количества частиц в материале (например, щебня) приводит к дальнейшему увеличению отрицательной величины коэффициента упаковки, т.е. к большему зацеплению или заходу щебенок друг за друга, что характерно для контактной структуры. Но на величину К влияет не только количество, но и размер крупнообломочных частиц. Чем крупнее зерна, тем меньшее количество щебня требуется для того, чтобы коэффициент упаковки оказался отрицательной величиной.

Структурные характеристики получаемого материала, например толщины пленок среды, содержание пор и их размеры и другое, изменяются при разных технологиях. Так, макроструктура прессованных изделий отличается от полу чаемых при литьевой технологии из одинаковых по качеству компонентов;

микроструктура вяжущей части изделий после твердения в обычных условиях на воздухе отличается от образующейся при твердении в условиях повышен ных давлений и температур и т.п.

1.4. Структурная механика, её составные части Основы материаловедения должны базироваться, по крайней мере, на стыке трех фундаментальных наук - физической и коллоидной химии, физики твердого тела и механики твердого деформируемого тела. Поскольку строи тельные материалы - сложные, неоднородные и гетерофазные материалы, обеспечение надежного и современного управления их качеством-задача с многими неизвестными. Чтобы регламентировать технологические операции производства строительных материалов с заданными свойствами, сопоставлять современные представления о физике и механике процессов структурообразо-вания, о распределении внутренних напряжений и деформаций, механизме развития трещин в структуре на ее различных уровнях, должен быть единый подход на основе физико-химической механики.

Микроскопический уровень устанавливает фазовый состав новообразова ний, размеры и распределения пор, раскрывает взаимосвязь между дефектами структуры составляющих компонентов материала с учетом их химии поверх ности.

Формирование структуры материалов с высокими технологическими свойствами должно базироваться на дискретной теории упругости, способной отражать взаимодействие как связующих частиц, кристаллогидратов, так и влияние системы, ранга пор, а также фазового состава заполнителя.

Преимущества структуры связующих с высокой удельной поверхностью новообразований состоят в том, что в ней сглаживаются (размазываются) типы условных микротрещин, уменьшаются их размеры и снижается концентрация напряжений. Связь между крупными кристаллами по точкам контакта подобна такой микротрещине, которая согласно критерию Гриффитса, приведет к большей концентрации напряжений в структуре монолита.

Поровая структура формируется от момента затворения водой до камне образования материалов и заканчивается в течение длительного времени экс плуатации. По величине и происхождению поры, например цементного камня, подразделяются:

• поры геля, средний радиус около 2 нм - до 28 %;

• промежуточные, в т. ч. контракционные - с радиусом около 25-50 нм;

• капиллярные поры с радиусом 200-1500 нм.

Направление регулирования пористости включает снижение среднего и наибольшего размеров пор к варианту одноранговой пористости, т.е. принцип сближения пор по размерам смежных рангов.

Особый интерес принадлежит системе и размерам пор в пористом запол нителе.

Абсолютное значение условно замкнутых пор керамзита больше, чем у цементного раствора в структуре керамзитобетона: по объему в 2-4 раза, по количеству в 6-8 раз, по удельной поверхности в 2-3 раза. В искусственных гранулах заполнителей содержится от 58 до 91% газовой фазы, от 8 до 33% аморфной и от 3 до 15 кристаллической фаз.

Для вулканогенных пористых заполнителей характерна микронеоднород ность структуры:

• химическая, вызванная ликвационными явлениями;

• структурная, образовавшаяся с выделением упорядоченных микрозон в стеклофазе;

• физическая, вызванная микропоровым пространством, нарушающим сплошность камня.

Микроскопический уровень материалов должен включать и кристаллохи мические свойства воды, как матричной основы связующего. В большой мере это касается физически адсорбционно связанной (псевдотвердой) воды, а не свободной, и тем более химически связанной. Адсорбционная вода подразде ляется на цеолитную (внутрифазовую), воду коллоидов, входящую в структуру связующего геля, и гигроскопическую.

Средняя энергия связи испаряемой воды по данным Пауэрса тем больше, чем ниже пористость связующих. При минимальной пористости цементного геля (28%) средняя энергия связи испаряемой воды составит около кал/моль. Энергия связи испаряемой воды в первом адсорбционном слое (монослой) составляет 8000 кал/моль.

Свободная (испаряемая) вода представляет собой отдельную фазу. Неко торая часть этой воды удерживается физической адсорбцией (ван-дер ваальсовые силы). Если относительная влажность достаточна высока, некото рая часть воды может удерживаться за счет сил гидростатического действия, обусловленного капиллярными явлениями.

Вода, по современным представлениям, - трехмерная сетка из молекул, соединенных водородными связями. Каждая молекула может образовывать до четырех водородных связей, направленных приблизительно к вершинам пра вильного тетраэдра. Эта сетка существует во всем интервале температур и давлений, в котором вода находится в жидком состоянии. На рис. 1.1 и 1. представлены строение молекулы воды и разные типы водородных связей.

Активность воды в силу различных факторов: дефектов граничной по верхности, температуры, давления, наличия в ней электролитов, газовых включений, примесей, влияющих на ориентацию водородных связей и их энергию, изменяется в диапазоне от 2.6 до 388.46 ккал/моль. Молекула воды 0 радиусом 1... 38 А (1 А =10 см)составляет всего десятую долю размера частиц твердой фазы цементного геля, имеет структуру тетраэдра с углом ме- жду связями О-Н 109 градусов. Длина связи О...Н равна 1.8А, расстояние о О...О равно 2.82 А. В двух связях она может выступать в качестве донора, и в двух - в качестве акцептора протона, т.е. участвовать в четырех водородных связях.

Если разогнать молекулы воды до высоких скоростей, увеличится ее энергия. Для активации воды применимы общие законы термодинамики, от ражающие энергетические изменения ее внутренней энергии.

Природа несплошности цементных материалов определена самим физи ко-химическим процессом гидратации цемента. Поэтому в цементном камне уже на ранней стадии структурообразования развиваются два различных взаи мозависимых процесса - деформирование и разрушение. Количество и разме ры кристаллических образований - эттрингита и портландита, их взаимодей ствие с коллоидной массой геля определяют характер формирования и разру шения структуры, прочность и упругость цементного камня. Не только вид внутренних связей фаз новообразований является важным фактором в значе нии модуля упругости, но и плотность новообразования имеет для него боль шое значение (табл. 1.1). Существенна роль новообразований в физике и меха нике разрушения. Упруговязкие и слоистые образования в структуре цемент ных материалов уменьшают локальные напряжения и гасят энергию роста трещин.

Таблица 1. Характеристика прочности и модуля упругости фаз новообразований в цементном камне Фаза Размер, Прочность, МПа Динамический новообразования мкм модуль упругости, - МПа сжатие растяжение Эттрингит 50-1000 - 75 • 10- 320 - - Портландит 500 - 15 • 10- C-S-H а) низкоосновный 5 -6 -10- 10- - б)высокоосновный 8 - 9 • 10- А Уровень макроструктуры определяет принципы конструирования бетона и керамики как композиционных материалов, характеризующихся относитель ным содержанием компонентов, их свойствами и однородностью распределе- ния. Данный уровень структурной механики способен интегрально отражать формирование структуры с заданными свойствами, развитие и торможение трещин за счет взаимодействия отдельных фаз и включений, вызываемых как локальными внутренними напряжениями, так и прилагаемыми внешними си лами.

Третья составная часть структурной механики - это поверхности раздела.

Граница раздела фаз - это область природы формирования прочности твердого тела включает коллоидно-химические явления и связанные с ними поверх ностные явления и эффекты: электростатический потенциал;

адсорбцию, де сорбцию и хемосорбцию, диффузию и осмос;

гидролитическое воздействие при разрушении связей.

Принципиально важное значение принадлежит механико-энергетическим показателям на границе контакта. К ним относятся плотность энергии когезии, диэлектрические свойства жидкой фазы, полярность молекул воды и поверх ности твердой фазы, межфазное натяжение, включая расклинивающий эффект Дерягина (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Возникновение структурной силовой составляющей расклинивающего давления в прослойках жидкости между частицами:

а - положение частиц до перекрытия граничных слоев толщиной «Z», б - после перекрытия граничных слоев Для цементных и глинистых дисперсий влияние поверхностных явлений оказывается превалирующим. С природой подложки, с плотностью воды для адсорбционного слоя жидкой фазы связано образование двойного электриче ского слоя - дзета потенциала (Д.П.). Д.П. выражает уровень электрических зарядов и кулоновского взаимодействия между частицами твердой поверхно сти. Любое механическое возмущение (перемешивание и другое) ведет к пере распределению электрокинетических свойств дисперсной фазы. Происходит перестройка ориентационной упорядоченности молекул воды.

Описание процесса разрушения композиционных материалов с позиции структурной механики представлено в таблице 1.2.

Таблица 1.2 Описание процесса разрушения с позиции структурной механики бетона Что определяет Уровень рассмотрев 1ия (масштабный эффект) Микроструктура и Макроструктура и разрушение поверхность раздела поверхность раздела цементирующих фаз системы цементный камень Атомно-молекулярные актеристики, строение, Физика разрушения хар размер состав и плотность и виды новообразований, дефектов, 1ассоперенос, внутреннее трение, скорости деформа-)сти волн теплое ций и роста напряжений активация Поля напряжений, Локальные напряжения от Механика разрушения вызываемые заполнителя, макропор и новообразованиями, трещин, взаимодействие порами, трещинами, трещин и пор соединение пор и де- молекул воды, фектов тепловыделение аторы Расклинивающее напряжений, класс трещин Одноосное, двухосное хьемное напряженные Критерий разрушения и ос определяющие состояния, ду напряжением связь меж течения и пластического шряжением б Устанавливается с вида деформаций: упругие, Критерий прочности учетом говязкие, упру-<ие.

Структурные типы Хруп кий, вязкий разрушения Ступеньки скола, юверхность скола и отрыва, Морфология поверх гладкая г рушение раз-излом, зернограничный ности разрушения й В последние годы для повышения адгезионной прочности на контакте по верхности связующее - пористый заполнитель применяется модифицирование поверхности за счет специальной пропитки заполнителя растворами солей, со держащими катионы алюминия, марганца, никеля и др.

При рассмотрении изделий на основе силикатов дефекты структуры сле дует подразделять на два рода. Дефекты первого рода - округлые дефекты ти па пор, дефекты второго рода - остроконечные дефекты типа трещин.

Возможно совмещение дефектов, например, пора с трещиной. Поры можно рассматривать как концентраты напряжений при условии, что расстояние ме жду порами не менее двух диаметров, т.к. в противном случае на локальном напряженном состоянии сказывается эффект взаимодействия, который может выровнять напряжение между порами.

Дефекты второго рода в виде микротрещин присутствуют в бетоне до приложения внешних нагрузок.

В последние годы большое развитие получила механика хрупкого разру шения, берущая начало от работ Гриффитса, Орована, Ирвина и занимающая ся изучением процесса разрушения. Бетоны и керамика являются неоднород- ными материалами и полностью переносить на них механику хрупкого разру шения не представляется возможным. Но вместе с тем многие закономерности остаются справедливыми при их рассмотрении как двухкомпонентных мате риалов отдельно на уровне матрицы и заполнителя с учетом влияния контакт ной зоны.

Для роста трещин характерно преимущественное развитие одной, наибо лее опасной трещины. На деформативные свойства материала оказывает влия ние не только наиболее опасная трещина, но и общее количество и ориентация всех трещин. Распространение трещин в хрупком или квазихрупком теле в ус ловиях локальной симметрии наступает тогда, когда интенсивность напряже ний у вершины трещины достигает своего критического значения.

При прочности и модуле упругости заполнителя, превышающих данные показатели у связующего, прочность материала определяется в основном прочностью связующего. Истинная прочность заполнителей в материале вы ше, чем при испытании дроблением. Объясняется это их большим объемным сжатием по сравнению с раствором.

При конструировании и изготовлении материалов следует получать новые типы структуры, обладающие лучшими свойствами по сравнению со свойствами отдельных составляющих компонентов. Такой неаддитивный эффект можно представить в виде схемы, в которой обозначим цементный раствор как компонент А, а заполнитель упругости - В. Для таких композитов типична формула: А + В = С, где С не является алгебраической суммой А и В.

Эта концепция для материаловедения не нова. И тем не менее, приняв ее за основу на макроуровне структурной механики, появляется надежность управления качеством материала с его полезными техническими свойствами и недостатками. Иначе говоря, новый материал сможет унаследовать от исходных составляющих сочетание полезных свойств и недостатков материалов А и В с возможностью ликвидации определенных недостатков за счет введения дополнительного компонента. Так создается строго научный принцип конструирования композитных материалов.

1.5. Долговечность изделий и сооружений Комплексной характеристикой качества материалов является долговеч ность - способность сопротивляться внешним и внутренним факторам в тече ние возможно более длительного времени. О долговечности судят по продол жительности изменения до критических пределов прочности, упругости или других свойств. С этой целью образцы или изделия подвергают в лаборатор ных или натурных (эксплуатационных) условиях воздействию комплекса ме ханических, физических, химических и других факторов, реально воздейст вующих на конструкцию. После расчетного периода времени действия ком плекса факторов, или определенного цикла испытаний, устанавливают степень изменения первоначальных числовых значений свойств и сравнивают с допус тимой величиной их изменения.

О долговечности пока судят по отклонениям в структуре материала, хотя первопричиной изменения свойств обычно служит нарушение микро- или макроструктуры, отклонение общей структуры от оптимальной.

При изучении структур обычно выбирают наиболее значимые (ключевые) характеристики. Количественной оценкой структур занимается стереология.

Ее методы позволяют по плоскостным микрофотоснимкам или другим данным структурного анализа определять объемное содержание изучаемых структурных элементов: размер и объем пор;

внутреннюю удельную поверхность твердой фазы;

размер твердых частиц, толщину прослоек жидкой среды;

соотношение объемов кристаллической и аморфной (стекловидной) частей в вяжущем;

однородность расположения частиц в объеме.

Основные, или ключевые, характеристики свойств и структуры имеют, как уже отмечалось, критические уровни, переход за пределы которых сопря жен со сравнительно интенсивным разрушением материла или срочным капи тальным ремонтом конструкции. При выборе критических уровней ключевых показателей свойств ориентируются на требования действующих стандартов и строительных норм. В них указаны числовые показатели технических свойств материала и допустимые пределы их изменения.

Среди типичных эксплуатационных факторов, оказывающих негативное влияние на состояние строительных конструкций и материалов, можно выде лить механические - воздействие внешних нагрузок различной величины и интенсивности статического и динамического характера, а также собственного веса изделий;

температурные - воздействия устойчивой температуры и ее колебаний;

воздушную и газовую среду с содержанием в ней углекислого газа, пара, пыли, и других примесей;

водную среду с широкими пределами ее агрес сивности;

кислоты, щелочи, солевые растворы разных концентраций и другие жидкие среды, например растительные масла, нефтепродукты и т.п.;

климатические, к которым кроме упомянутых выше факторов относятся так же солнечная радиация, ветер, влажность воздуха;

воздействие некоторых других возможных физических факторов - электрического поля и тока, излучения, магнитного поля и. т. п.

Рассмотрим проблемы долговечности строительных материалов на при мере наиболее распространенных и подвергаемых внешним воздействиям же лезобетонных изделий.

В строительной практике все случаи коррозионного повреждения железо бетонных конструкций по признакам разрушения разделяют на две группы:

разрушения, связанные с коррозией бетона, и разрушения, вызываемые корро зией арматуры в бетоне. Число сред, агрессивных по отношению к бетону и арматуре, весьма велико.

Данные инженерных исследований показывают, что бетонные и железо бетонные конструкции могут прийти в аварийное состояние в течение 10- лет и раньше. Так, А.Ф. Полак описывает полное коррозионное разрушение фундаментной балки за шесть лет эксплуатации в результате проливов кислот на Усольском химическом заводе, вследствие чего на стене цеха появились вертикальные трещины, что привело здание в аварийное состояние. В.М. Мо сквин приводит факт разрушения на химическом заводе бетонных фундамен тов под аппаратурой (под насосами перекачивающими кислоту), не выдер жавших даже расчетный срок службы, равный 6 месяцам.

Большинство же разрушений железобетонных конструкций зданий дейст вующих предприятий часто происходит в результате коррозии арматуры, дос тигающей после 20-25 лет эксплуатации конструкций во влажных помещени ях 50 % для рабочих стержней и 100 % - для хомутов.

При обследовании одного из цехов Кабардинского крахмального завода, Марийского целлюлозно-бумажного комбината через 11 лет эксплуатации же лезобетонные балки покрытия имели продольные трещины шириной 10- мм. При вскрытии растрескавшегося защитного слоя обнаружилось, что арматура покрыта слоем ржавчины толщиной до 8 мм. Хомуты проржавели полностью, а продольные стержни сильно уменьшились в диаметре (до 60 %) и отстают от бетона. В наиболее сильно разрушенных балках обнаженная рабочая арматура имела сечение 13 и 9 мм вместо проектных 24 и 20 мм.

Многочисленные экспериментальные и теоретические исследования ти пичных коррозионных процессов и стойкости цементных бетонов позволили объединить отдельные случаи коррозии в различных средах по общим призна кам механизма коррозии. По общепринятой международной классификации, предложенной В.М. Москвиным, коррозионное воздействие жидкой среды на бетон подразделяют на три основных вида. К первому виду относят процессы коррозии, возникающие под действием вод с малой жесткостью, когда состав ные части цементного камня растворяются и уносятся протекающей водой.

Особенное развитие эти процессы получают при фильтрации воды сквозь толщу бетона.

Коррозия второго вида объединяет процессы, которые развиваются в бетоне при действии вод, содержащих химические вещества, вступающие в обменные реакции с составными частями цементного камня. Продукты реакции либо легко растворимы и уносятся водой, либо выделяются в виде аморфной, не обладающей вяжущей способностью массы на месте реакции. К этому виду относят процессы, возникающие в бетоне при действии кислот, магнезиальных солей и др.

Коррозия третьего вида объединяет все процессы коррозии, при разви тии которых в порах, капиллярах и других пустотах бетона происходит накоп ление малорастворимых солей;

кристаллизация последних вызывает возникновение значительных усилий в стенках, ограничивающих рост кристаллических сростков, и как следствие - разрушение структурных элементов бетона. К это му виду можно отнести коррозию при действии сульфатов, где разрушение бе тона вызывается ростом кристаллов гипса и сульфоалюмината кальция.

В естественных условиях, как правило, одновременно наблюдается коррозия нескольких видов, но преобладает обычно какой-либо один вид и всегда можно проследить и учесть роль второстепенных для данного случая видов коррозии.

В классификации коррозии бетона в газовой среде, предложенной С.Н.Алексеевым, также различаются три вида. Принципиального различия между коррозией в водной и газовой среде нет, но в каждом случае есть свои характерные особенности.

В случае газовой коррозии агрессивные по отношению к цементному камню бетона газы, проникая в его толщу по открытым каналам, трещинам и другим неплотностям, поглощаются водой, частично заполняющей капилляры, и ее адсорбционными пленками, образуя обыкновенную агрессивную жидкость. Раствор газов в жидкостях представляет собой истинный раствор. Концентрация растворенной фазы, как правило, невысока, так что эти растворы можно отнести к разбавленным. Характерно, что продукты газовой коррозии остаются на месте реакции, а не выносятся наружу, что может привести к уплотнению бетона.

На поверхности бетона под воздействием агрессивной среды через неко торое время образуется слой продуктов коррозии, в котором может быть выделено несколько зон. В.М. Москвин на основании исследований взаимодействия бетона с морской водой, содержащей магнезиальные соли (MgCl2, MgSO4)предложил рассматривать последовательность распределения зон разрушения бетона в порядке, представленном на рис. 1.4. Общая схема взаимодействия бетона с кислыми газами, вызывающими «нейтрализацию» бетона (рис. 1.5), предложена С.Н. Алексеевым, где под «нейтрализацией» бетона понимают непрерывный во времени процесс проникания в него ионов газа.

В таблице 1.3 приведена ориентировочная оценка воздействия агрессив ных сред на незащищенные бетонные и железобетонные конструкции.

Таблица 1.3.

Воздействие агрессивных сред на бетонные конструкции Степень Глубина разрушения Среднегодовая пoтеря несущей агрессивности поверхностного слоя, способности при эксплуатации среды мм/год конструкций, % подземных несущих и ограждающих слабая до 0.4 3 средняя 0.4... 1.2 5 1.2 8 сильная Влияние агрессивных сред на бетон оценивают по внешнему виду бетон ных образцов, величине линейной деформации, потере по массе, изменению прочности при сжатии, изгибе или растяжении, глубине коррозионных разру шений, изменению динамического модуля упругости, изменению концентра ции одного из компонентов, вступивших во взаимодействие и т.д.

За критерий стойкости при оценке влияния агрессивных сред по внешне му виду принимают продолжительность периода до появления признаков ви зуально оцениваемых разрушений бетона. Для оценки степени коррозионного разрушения образцов может быть использована пятибалльная система. Баллом «5» характеризуется отличное состояние образцов, без изменения внешнего вида, баллом «1» - полное разрушение.

Метод изменения линейных деформаций бетонных образцов, находящих ся в агрессивных растворах, характеризует коррозию бетона в условиях, когда под влиянием агрессивных растворов образуются новые соединения, объемы которых больше суммы объемов исходных веществ, что сопровождается уве личением объема образцов. Принято считать, что если величина расширения образцов через шесть месяцев превышает 0.05 %, а через год 0.1 %, это сви детельствует о деструктивных процессах, приводящих к разрушению.

В основе метода изменения прочности при сжатии, изгибе и растяжении лежит понимание факта коррозии как процесса снижения прочности бетона.

Определяя через заданные промежутки времени прочность образцов, нахо дившихся в агрессивной среде, и образцов, твердеющих в нейтральной среде, получают кривые изменения прочности во времени, по которым ориентиро вочно судят о степени развития коррозии. Количественным показателем кор розии является коэффициент стойкости Кс, представляющий собой отношение прочности образцов, находившихся в растворе, к прочности образцов, твер девших тот же срок в воде.

Метод определения потери массы бетонных образцов за определенный промежуток времени оценивает воздействие органических кислот на цемент ный камень.

Для исследования характера изменения во времени защитных свойств це ментных бетонов различных по прочности под действием кислых газов ис пользуют качественную методику - определение глубины нейтрализации бе тона путем периодической обработки свежих сколов образцов 1%-ным спир товым раствором фенолфталеина. После нанесения индикатора измеряют ли нейкой расстояние от поверхности образца до границы ярко окрашенной зоны в направлении, нормальном к поверхности. Измеренная величина есть глубина нейтрализации бетона.

Изменение распределения концентрации цементного камня в объеме бе тона по глубине образца и во времени учитывается дифференциальными урав нениями перемещения агрессивного фронта, основанными на первом и втором законах Фика.

Среди огромного количества лабораторных методов исследования корро зии бетона, по мнению большинства специалистов, наиболее рациональными являются методы, основанные на определении предела прочности. Эти методы учитывают влияние двух видов коррозии: растворение соединений, составляющих цемент, и возникновение новообразований с большим объемом, чем объем исходных продуктов. Оба процесса вызывают изменение прочностных показателей.

Глава 2. Свойства защитных покрытий 2.1. Понятия о механических, физических, химических, архитектурно-художественных свойствах материалов Защитные покрытия из строительных материалов в процессе эксплуата ции сохраняют изделия и сооружения от механических, физических и химиче ских воздействий.

При выборе материала защитных покрытий учитывают его способность сопротивляться реальным воздействиям без нарушения сплошности, свойств и размеров. Необходимо одновременно учитывать сопротивляемость материалов механическим нагрузкам, стойкость к воздействию ожидаемых физических (например, температуры и ее колебаний, в особенности при переходе через О °С, водной среды и др.) и химических (кислоты, щелочи, солевые растворы и др.) факторов.

Свойствами называют способность материалов определенным образом реагировать на воздействие отдельных или совокупных внешних или внутрен них факторов. Фактические показатели этих свойств, выраженные в принятых числовых значениях, позволяют оценивать качество строительных материалов.

Механические свойства отражают способность тел (материалов) сопро тивляться силовым (от механических нагрузок), тепловым, усадочным или другим напряжениям без нарушения установившейся структуры. Механиче ские свойства разделяются на деформационные и прочностные.

Деформационные свойства характеризуют способность материала к изме нению формы или размеров без отклонений в величине его массы. Главней шие виды деформаций - растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб. Все они могут быть обратимыми и необратимыми, или остаточными. Обратимые пол ностью исчезают при прекращении действия на материал факторов, их вызы вающих. Необратимые деформации, называемые, кроме того, пластическими, накапливаются в период действия этих факторов;

после их снятия деформации сохраняются. Обратимые деформации, исчезающие мгновенно и полностью, называются упругими, а если в течение некоторого времени, то - эластичны ми.

На характер и величину деформаций влияет не только величина нагруже ния, но и скорость приложения нагрузки, а также температура материала. Как правило, с повышением скорости деформирования и понижением температуры материала деформации по своему характеру приближаются к упругопластиче-ским, уменьшаясь по абсолютной величине.

Пластические деформации, медленно нарастающие без увеличения на пряжения, характеризуют текучесть материала. Пластическая деформация, медленно нарастающая в течение длительного времени под влиянием силовых факторов, не способных вызвать остаточную деформацию за обычные перио- ды наблюдений, называется деформацией ползучести, а процесс такого де формирования - ползучестью или крипом. Деформационные свойства строи тельных материалов, как и других тел, обуславливаются периодом, или време нем релаксации. Релаксацией называется процесс самопроизвольного падения внутренних напряжений в материале, связанных с молекулярным перемещением при условии, что начальная величина деформации остается неизменной, например зафиксированной жесткими связями.

К другому важному механическому свойству относится прочность, т.е.

способность материалов в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, сопротивляться внутренним напряжениям и деформациям, возникающим под влиянием механических, тепловых и других напряжений. Типичными прочно стными характеристиками являются предел упругости, предел текучести и предел прочности при воздействии сжимающих, растягивающих или других видов усилий. Пределу упругости соответствует напряжение материала при максимальной величине упругой деформации;

пределу текучести - постоянное напряжение при нарастании пластической деформации;

пределу прочности максимальное напряжение в момент разрушения материала (рис.2.1).

Величины модуля упругости и прочности можно определять неразру шающими методами, при которых испытуемый образец остается неразрушен ным, в отличие от того, как это происходит, например, при испытании его под прессом. Среди неразрушающих методов - ультразвуковые, радиометриче ские, ударные и др.

Дополнительными характеристиками механических свойств при оценке качества материалов могут служить твердость, истираемость и ударная вязкость.

Твердость выражает способность материала сопротивляться проникнове нию в него более твердых тел, например при вдавливании стального шарика или конуса, царапаний резцом, сверлении, ударах молотка, пулевом выстреле и др. Эти условия испытания дают значения твердости либо только качествен ные, например по следу царапания, либо также и количественные - по глубине или площади отпечатка с учетом приложенной нагрузки.

О твердости нередко также судят по потере массы образцами при испы тании на металлических кругах в присутствии абразивных порошков.

Ударная вязкость характеризует способность материала сопротивляться сосредоточенным ударным нагрузкам и определяется количеством работы, за трачиваемой на излом образца в фиксированном с помощью насечки месте.

Работа, отнесенная к площади поперечника образца, характеризует единичную ударную работу на излом, называемую удельной ударной вязкостью. Она имеет практическое значение при оценке качества металлов, асбестоцементных и керамических изделий.

Строительные материалы обладают комплексом физических свойств.

К физическим относятся свойства, выражающие способность материа-лов реагировать на воздействие физических факторов - гравитационных, т.е. осно ванных на законе земного притяжения, тепловых, водной среды, акустических, электрических, излучения (ядерного, рентгеновского и др.) и т.п. Ниже рассмотрены некоторые физические свойства материалов.

Средняя плотность характеризует массу единицы материала в естест венном состоянии (вместе с порами). Эта важная физическая характеристика определяется путем деления массы m образца на его объем v0 и выражается зависимостью:

(2.1) Для точного измерения объема удобно принимать образцы правильной геометрической формы, хотя имеются несложные приемы измерения объема образцов и неправильной формы. При влажных образцах отмечается величина их влажности, при которой определялась средняя плотность.

Среднюю плотность рыхлых материалов, например песка, щебня, гравия, называют насыпной плотностью. В ее величине отражается влияние не толь ко пор в каждом зерне или куске, но и межзерновых пустот в рыхлонасыпном объеме материала.

Истинная плотность - масса единицы объема однородного материала в абсолютно плотном состоянии, т.е. без учета пор, трещин или других полос тей, присущих материалу в его обычном состоянии. Определяется как отно шение массы m материала, выраженной в граммах или килограммах, к объему v его в абсолютно плотном состоянии:

(2.2) Величина р, как правило, больше р0 (средней плотности), так как подав ляющее количество материалов содержит поры, трещины, каверны.

Пористость - степень заполнения объема материала порами;

определя-ют ее с помощью вычисления по формуле:

(2.3) Если требуется выяснить, являются ли поры замкнутыми или сквозными, как распределены они в объеме материала по своим размерам, какое имеется реальное соотношение пор разных диаметров, тогда производят дополнитель ные исследования с применением специальных методов: ртутной порометрии, сорбционного, капиллярного всасывания и др.

При воздействии статических или циклических тепловых факторов мате риал характеризуется теплопроводностью, теплоемкостью, температуре - ус тойчивостью, огнеупорностью и другими свойствами.

Теплопроводность - способность материала проводить через свою толщу тепловой поток, возникающий под влиянием разности температур на поверх ностях, ограничивающих материал. Это свойство характеризуется теплопро водностью А,, которая показывает количество теплоты, которое проходит через стенку толщиной 1 м и площадью 1 м2 при перепаде температур на противоположных поверхностях в 1°С в течение 1 ч.

В качестве примеров следует отметить, что гранит имеет теплопровод ность 3.2... 3.5 Вт/(м-К), а кирпич керамический - 0.80... 0.85 Вт/(м-К).

Теплоемкость характеризует способность материала аккумулировать те плоту при нагревании. Теплоемкость оценивается с помощью так называемой удельной теплоемкости, которая показывает количество теплоты, необходи мое для нагревания 1 кг материала на 1°С. Удельную теплоемкость С иначе называют коэффициентом теплоемкости.

(2.4) где Q - количество теплоты, затраченное на нагревание материала, Дж;

m масса материала, кг;

(t1 - t2) - разность температур материала до и после на грева, °С. Ее размерность - Дж/(кгК).

Коэффициент теплоемкости воды равен 4.2 • 103 Дж/(кг · °С). Строитель ные материалы в сухом состоянии имеют более низкие значения этого коэф фициента, например: каменные материалы - от 0.75 • 103 до 0.94 • 103, лесные материалы - от 2.42 • 103 до 2.75 • 103 Дж/(кг · °С), сталь 0.50 • 103 Дж/(кг · °С).

Огнестойкость характеризует способность строительных материалов вы держивать без разрушения действия высоких температур в течение сравни тельно короткого промежутка времени (пожара). В зависимости от степени ог нестойкости строительные материалы разделяют на несгораемые, трудносго раемые и сгораемые. Несгораемые материалы в условиях высоких температур не подвержены воспламенению, тлению или обугливанию. При этом некото рые материалы почти не деформируются (кирпич, черепица), другие могут сильно деформироваться (сталь) или разрушаться, растрескиваться (природные камни, например гранит), особенно при одновременном воздейст вии воды, применяемой при тушении пожаров. Трудносгораемые материалы под воздействием высоких температур тлеют и обугливаются, но при удалении огня процессы тления или обугливания полностью прекращаются.

Среди такого рода материалов находятся фибролит, гидроизол, асфальтовый бетон и др. Сгораемые материалы воспламеняются и горят или тлеют под воздействием огня или высокой температуры, причем горение или тление продолжается также после удаления источника огня. Среди них - древесина, войлок, битумы, смолы и др.

Если источник высокой температуры (выше 1580°С) действует на матери ал в течение длительного времени (соприкосновение с печами, трубами, на гревательными котлами и т.п. ), а материал сохраняет необходимые техниче ские свойства и не размягчается, то его относят к огнеупорным. Огнеупорны ми являются шамот, динас, магнезитовый кирпич и другие материалы, приме няемые для внутренней футеровки (облицовки) металлургических и промыш ленных печей.

Материалы, способные длительное время выдерживать воздействие высо ких температур (до 1000°С) без потери или только с частичной потерей проч ности, относят к жаростойким, например жаростойкий бетон, керамический кирпич, огнеупорные материалы.

Температуростойкость или термостойкость - способность выдерживать чередование (циклы) резких тепловых изменений, нередко с переходом от вы соких положительных к низким отрицательным температурам. Это свойство материала зависит от степени его однородности и от способности каждого компонента к тепловым расширениям. Последняя характеризуется коэффици ентом теплового расширения - линейным или объемным. Линейный коэффи циент показывает удлинение 1 м материала при нагревании его на 1 °С, а объ емный характеризует увеличение объема 1 м3 материала при нагревании его на 1 °С. Для цементного бетона линейный коэффициент теплового расширения равен (10... 14) • 10"6, для древесины вдоль волокон (3... 5) · 10"6.

Отношение материала к статическим или циклическим воздействиям во ды или пара характеризуется величинами водопоглощаемости, гигроскопичности, водопроницаемости, паропроницаемости, водостойкости.

Водопоглощаемость - способность материала впитывать и удерживать воду. Процесс впитывания воды в поры называется водопоглощением и в ла бораторных условиях проходит при нормальном атмосферном давлении. Об разец постепенно погружают в воду и его полного водопоглощения достигают путем кипячения в воде, если температура 100°С не влияет на состав и струк- туру материала. Образцы выдерживают в воде в течение определенного срока или до постоянной массы.

Величина водопоглощаемости (%) определяется по массе:

В = (М2- М1) ·100 /M (2. ) или по объему В0 =(M2-M1)/v, (2. ) где M1 - масса до водопоглощения;

М2 - масса после водопоглощения;

v объем образца.

Водопоглощаемость меньше пористости, так как не все поры заполняются водой и удерживают ее.

Сходная величина водонасыщаемости определяется после насыщения материала (образца) водой под давлением 0.2... 0.3 МПа или 0.1 МПа при ус ловии, что в порах был предварительно создан вакуум с помощью специального вакуум-насоса. Водонасыщаемость всегда больше водопоглощаемости, так как при принудительном пропитывании под давлением заполняются не только более крупные, но и тонкие поры и капилляры, недоступные воде при обычном процессе водопоглощения.

Гигроскопичностью называется способность материала поглощать влагу из влажного воздуха или парогазовой смеси. Степень поглощения воды или паров, которые частично конденсируются в порах и капиллярах материала, зависит от относительной влажности и температуры воздуха, парциального давления смеси. С увеличением относительной влажности и со снижением температуры воздуха гигроскопичность повышается.

За характеристику гигроскопичности принята величина отношения массы поглощенной влаги при относительной влажности воздуха 100 % и температу ре +20 °С к массе сухого материала.

Влагоотдачей называют способность материала отдавать влагу в окру жающую среду. Она измеряется количеством воды, которое материал теряет в сутки при относительной влажности воздуха 60 % и температуре +20°С.

Влага, находящаяся в тонких порах и капиллярах, удерживается прочно, особенно ад-сорбционно-пленочная влага, что способствует ускоренному передвижению поглощаемой воды по сообщающимся порам в материале.

Если между влажностью окружающей среды воздуха и влажностью материала устанавливается равновесие, то отсутствуют гигроскопичность и влагоотдача, а состояние принято именовать воздушно-сухим.

Водопроницаемость - способность материала пропускать воду под дав лением. Характеристикой водопроницаемости служит количество воды, про шедшее в 1 час через 1 см2 поверхности материала при заданном давлении во ды. Иногда она также характеризуется периодом времени, по истечении кото рого появляются первые признаки просачивания воды под определенным дав- лением через образец испытуемого материала. Давление воды устанавливается стандартом в зависимости от вида материала.

Паро- и газопроницаемость оцениваются с помощью особых коэффициентов, сходных между собой. Они равны количеству водяного пара (или воздуха), которое проходит через слой материала толщиной 1 м, площадью 1 м2 в течение 1 ч при разности давлений 10 Па.

Водостойкость - способность материала сохранять в той или иной мере свои прочностные свойства при увлажнении. Числовой характеристикой водо стойкости служит отношение предела прочности при сжатии материала в на сыщенном водой состоянии к пределу прочности при сжатии в сухом состоя нии. Это отношение принято называть коэффициентом размягчения. К водо стойким относятся материалы, коэффициент размягчения которых больше 0.8, например гранит, бетон и др. Эти материалы можно применять в сырых местах без специальных мер по защите их от увлажнения.

В жестких условиях находится тот материал, который увлажняется при резких температурных перепадах. Вода, поглощенная материалом, особенно порами в поверхностном слое, замерзает при переходе через нулевую темпера туру с расширением на 8.5 %. Кристаллизация льда в порах и оттаивание вы зывают внутренние напряжения, приводящие к образованию микро- и макро трещин. Способность материала, насыщенного водой, выдерживать много кратное попеременное замораживание и оттаивание без значительных техни ческих повреждений и ухудшения свойств называется морозостойкостью.

Обычно замораживание образцов, насыщенных водой, производится в специ альных морозильных камерах при температуре выше -17°С, а оттаивание орга низуется в воде, имеющей комнатную температуру. Продолжительность одно го цикла составляет одни сутки. Многие материалы выдерживают от 200 до 300 циклов и более. Могут применяться и ускоренные методы испытания на морозостойкость или сохранность в солевых растворах при чередующейся кристаллизации соли в порах материала. В отношении некоторых материалов, например природного камня, о морозостойкости судят по величине коэффици ента размягчения. Принято считать, что если коэффициент размягчения не ниже 0.9, то данный материал обладает достаточной морозостойкостью.

К физическим свойствам относятся также звукопоглощаемостъ., погло щаемость ядерных излучений и рентгеновских лучей, электропроводность, светопроницаемость. С помощью испытаний соответствующих образцов материала определяются числовые характеристики этих свойств. Они сравниваются с допустимыми нормами.

Для более полной оценки качества материалов изучают также химиче ские свойства. Эта группа свойств выражает способность и степень активно сти материала к химическому взаимодействию с реагентами внешней среды и, кроме того, способность сохранять постоянным состав и структуру материала в условиях инертной окружающей среды. Большинство строительных мате- риалов проявляют активность при взаимодействии с кислотами, щелочами, аг рессивными газами и другими средами. Постепенное или быстрое изменение структуры и ее разрушение под влиянием агрессивных химических и электро химических процессов в материале называют коррозией. Этот вопрос рассмат ривался при изучении долговечности изделий и сооружений.

К архитектурно-художественным свойствам относят: блеск - способность направленно отражать световой поток;

текстура - рисунок природного материала, выражающий на его поверхности характерную структуру, особенности строения;

фактура - видимое строение поверхности материала (изделия). По характеру поверхности материала различают две группы фактур: рельефные и гладкие;

цвет - осознанное зрительное ощущение, вызываемое в результате дейст вия потоков электромагнитного излучения в диапазоне видимой части спектра. Цветовая характеристика необходима для оценки материала с целью обеспечения комфорта и цветовой гармонии отделки.

Прозрачность - свойство материала пропускать свет, не изменяя направ ление его распространения. Показатель учитывают при использовании поли мерных материалов в зоне световых лучей. Определяется как (2.7) где Г - интенсивность света, прошедшего выходную поверхность;

10 - интен сивность света, падающего на противоположную поверхность материала.

Этот показатель называется коэффициентом прозрачности.

Радиационная стойкость - свойство материала противостоять воздейст вию интенсивных потоков радиоактивного излучения, изменяющего его структуру и свойства. Показатель учитывают при выборе конструкционных материалов, работающих в зоне ионизирующих излучений для обеспечения надежности защиты от них.

Светопроницаемость (или просвечиваемость) - свойство материала про пускать прямой и рассеянный свет. Показатель необходим при расчете осве щенности помещений. Этот показатель характеризуется коэффициентом све топроницаемости и количественно определяется как (2.8) где 1 - полный световой поток, выходящий из слоя материала во всех направ лениях;

t0 - световой поток, падающий на материал.

Светостойкость - свойство материала сохранять свой цвет под действием световых лучей. Показатель учитывают при выборе светостойких пигментов в покрытии и связующих в композициях.

Изменение линейных размеров называется относительной деформацией и определяется как (2.9) где 1 - абсолютная деформация, см;

1 - первоначальный размер образца, см.

Эластичность - свойство материала выдерживать без повреждения изгиб из плоскости. Показатель необходим для оценки эксплуатационных свойств лакокрасочных покрытий. Количественно оценивается в миллиметрах по ми нимальному диаметру металлических стержней, вокруг которых происходит изгиб.

Деформируемость - свойство твердых материалов изменять свою форму (линейные размеры) или объем под действием внешней нагрузки, а также соб ственной массы, температуры и других факторов.

2.2. Основные структурно-механические и энергетические принципы, демпфирование элементов структуры материала В процессе формирования дисперсных систем, составляющих основу свойств силикатных материалов, необходимо учитывать, что каждому микро и макроскопическому состоянию отвечает свой энергетический уровень.

Физика разрушения твердого тела отражает прежде всего динамические эффекты коллективных возбуждений твердой и жидкой фаз. Теория коллек тивных взаимодействий в твердеющей сложной жизнеспособной системе ос нована на представлениях о зависимых и независимых друг от друга флуктуа циях плотности. Физика разрушения твердых тел включает в себя два взаимо связанных процесса: возникновение в упругом континиуме зародышевых тре щин и накопление их в зоне разрушения до критической концентрации, при которой тело разрушается. Физическая суть механизма трещин может быть различной, например, накачка энергии из окружающей среды в разрушаю щуюся флуктуацию плотности, так называемый дилатон по Журкову. Соглас но современным представлениям флуктуации в твердом теле связаны с про цессами возбуждения, столкновения фотонов (с фотонами, дефектами кри сталлической решетки, границей поверхности и др.). Фотон - квазичастица и существует лишь как элемент возбуждения в твердом теле.

Квазичастица - одно из фундаментальных представлений, лежащее в ос нове современной квантовой теории твердого тела. При этом следует акценти ровать внимание на то, что флуктуации в твердом теле - эффект коллектив ный. В нем участвует группа атомов, создавая флуктуации энергии и очаги беспорядка. Эти процессы возникают самопроизвольно и существуют при температуре выше абсолютного нуля. Дилатон не только очаг локального раз рушения, но и одновременно является точечным источником дислокации.

Рассмотрим данные по изменению удельной поверхности энергии разру шения некоторых поликристаллических материалов (табл.2.1). Как известно, поверхностная энергия является мерой прочности на разрыв твердых тел. При веденные данные в определенной мере отражают физику разрушения в зер кальном отражении условий формирования прочности этих материалов, т.е.

их генезис.

Таблица 2.1 Удельная поверхностная энергия разрушения некоторых поликристаллических материалов Вид материала Удельная поверхностная энергия, Дж/м Гранит Клинкер портландцемента 12- 20- MgO 18- А Стекло Искусственные керамические материалы получаются методом термиче ской обработки различного минерального сырья и техногенных побочных продуктах промышленности. Выделение химически связанной воды при дегидратации обуславливает поризацию перлита и вермикулита. Для перлита характерны замкнутые сферические и капиллярные поры, которые образовались за счет паров воды. Вермикулит - слоистый пакет чередующихся многотысячных пластинок, образовавшихся на несовершенных плоскостях спайности природных слюд (биотита, флогопита). Фазовый состав в преобладающем виде для перлита - остеклованные кислые алюмосиликаты, кварц, полевые шпаты, пи-роксены.

Вспученные пластичные глины (керамзит) - один из наиболее популяр ных видов пористых заполнителей. Качество вспучивания пластичных каоли новых глин, как слоистых, ленточных гидросиликатов, высокое. Размер пор во вспученных глинах возрастает прямо пропорционально крупности гранул. По ры, как правило, замкнутые, сферические. Мелкие фракции керамзита обла дают наибольшим водопоглощением и высокой морозостойкостью (табл.2.2).

Таблица 2. Водопоглощение и морозостойкость керамзитового песка, цементного камня и глиняного кирпича Вид материала Водопоглощен Объем пор, Морозостой Пористос ие за 1 час, % заполненных кость при ть по объему водой, от общего 50°С частиц % Керамзитовый 65.5 3.5 5.4 песок Цементный 38.0 36.0 94.7 21.0 75.8 камень Кирпич 27. 27.5 34.0 глиняный 80. Ячеистый бетон Определяющая роль в механизме разрушения материалов типа бетона и керамики принадлежит адгезионной и когезионной прочности связующих. С точки зрения распространения трещины в хрупком теле механизм разрушения силикатных материалов можно представить в следующем виде. Как только трещина начинает распространяться, скорость подвода движущейся ее энергии превосходит скорость ее потребления (диссипации) в форме поверхностной энергии и энергии деформирования (в случае постоянной нагрузки). Этот избыток может перейти в кинетическую энергию частей, смещаемых при продвижении трещины, и распространение трещины ускоряется. Расмотрим схему уровней возможных разрушений, которая показана на рис. 2.2.

При этом следует представлять материалы типа бетонов и керамики в ви де однородной и хрупкой пластины, находящейся под влиянием равномерно растягивающих напряжений (рис.2.3).

Согласно теории распространения трещин в вязкоупругих средах, типа силикатных материалов, развитие трещины предлагается моделировать как со вокупность элементов Фойгта (рис.2.4). Каждый из элементов испытывает под напряжением определенную деформацию. Когда деформация первого элемен та, соответствующего малой области в вершине трещин, достигнет критиче ского значения, область разрушается, длина трещины возрастает, напряжение перераспределяется на соседние элементы, после чего процесс повторяется снова и снова.

e Трещины распространяются преимущественно вдоль зоны меньшей плот ности в перпендикулярном направлении возникших минимальных напряже ний, то есть вдоль образца (вдоль волокон) и между фазами цементного камня, иногда разрушая их отрывом или скольжением ступеньками среза. Это типич ные поверхности вязкого разрушения. Траектория развития продольных тре щин относительно прямолинейна или с тенденцией ветвления.

Скорость, с которой будет уменьшаться внутриструктурная запасенная упругая энергия при силовом нагружении, реализуется способностью структу ры к демпфированию и ее разрушению.

Руководствуясь изложенными выше основами и положениями структур ной механики силикатных материалов, представляется возможным, в зависи мости от уровня структурных фаз, их дефектов (включая поры и капилляры), с учетом поверхности раздела, классифицировать образование трещин по их размерам.

Субмикротрещины. Их длина соответствует размеру цементного геля, образовавшихся гидросиликатов кальция. Размер этого класса трещин и де фектов 10'9 -10'7 м.

Микротрещины. Длина трещины больше, чем в первом случае, а выз ванная ею концентрация напряжений больше концентрации напряжений, вы званной дефектами, т.е. субмикротрещинами. Их размер определяется верхней границей радиуса микропор, капиллярных пор цементного камня, цементи рующими фазами кристаллической структуры - портландита и комплексами гидросульфоалюмоферрита. Класс этого рода трещин можно характеризовать размером в пределах 10-7 – 10-5 м. Он соответствует длине гриффитсовских трещин.

Макротрещины. Их длина соответствует размерам крупных кристаллов эттрингита, крупности зерен мелкого заполнителя, макропор и отдельных ви дов технологических дефектов в бетоне. Класс этих трещин определится раз мером в пределах 10-5 - 5 • 10-3 м и более.

При взаимодействии многокомпонентных составляющих бетона создается структура с определенными закономерностями. В процессе ее формирования каждому структурному уровню соответствует свой энергетический критерий. В этом аспекте особенно важно оценить возможность торможения роста трещины через дискретную систему демпфирования в структуре. Физическая природа затухания упругой энергии неоднозначна. Она может быть вызвана процессами, происходящими как в твердой фазе новообразований цементного камня, так и в результате термоупругой релаксации на границе фаз и заполнителей, диффузией жидкой фазы, т.е. ее вязким перемещением в поровом пространстве, инициированными переменными напряжениями процесса структу рообразования.

В табл. 2.3 приведена классификация добавок демпфирования с учетом физического состояния и механизма их действия. В предложенной классифи кации добавок, с учетом весьма широкого диапазона регулируемых свойств бетона, в основе заложено физическое, агрегатное состояние и механизм их действия. Все эти добавки демпфирования имеют модуль деформации сущест венно ниже, чем у цементного камня, раствора и бетона.

Таблица 2. Классификация демпфирующих добавок бетона Регулируемые Груш чы х добавок свойства бетона твердый жидкие воздухововлекающи Прочность при сжатии, Керамзит, Водораствори СНВ,Л изгибе, растяжении шлаки, золы, мые смолы С- 1,ЛСТМ,ГКЖ-94, С Предельная шунгизит, 89, ДЭГ-1, 3+ЛСТ,ГКЖ-10,11, растяжимость Ударная аглопорит, ТЭГ-1, ВРП. ОП-6,СПД,СДО, вязкость вспученный Полимерные Сульфанол, Трещиностойкость вермикулит, дисперсии. нитрафен и др Выносливость вспученный Водная Морозостойкость перлит, фторан- дисперсия Солестойкость гидрит, асбест, латекса.

Водонепроницаемость резиновая Суспензии Усадочные крошка, кремнеор деформации древесные ганических опилки, горелая жидкостей, Поскольку трещина есть элемент структуры материала, конструкции, то ей присущи вполне определенные регулируемые параметры демпфирования, обеспечивающие зону пластической деформации в процессе развития трещин, что исключает хрупкое разрушение бетона, аварийное состояние конструкций на его основе..

2.3. Дефекты в структуре цементных и керамических материалов, теоретические концепции их прочности Прочность твердых тел в значительной мере определяется видом и коли чеством дефектов в структуре материала. В реальных материалах имеется большое число различного рода микро- и макродефектов, развитие которых приводит к разрушению тела. Существует различная классификация дефектов в зависимости от рассматриваемого уровня их иерархической структуры. При рассмотрении материалов с зернистой дисперсной фазой - матрицы (связующее) и включений (заполнителей) - наибольшее признание получило разделение дефектов на два рода. Дефекты первого рода - округлые дефекты типа пор и дефекты второго рода - остроконечные дефекты типа трещин.

Возможно совмещение дефектов, например, пора с трещиной.

Пользуясь классификацией, принятой Г.И. Горчаковым, М.М. Катанным и Б.Г. Скрамтаевым, и распространяя ее как на цементные, так и на керамиче ские материалы, дефекты первого рода разделим на три вида: ультрамикропо ры с размерами до 100 • 10-10 м;

микропоры размером (100 - 1000) • 10-10 м;

макропоры размером более 1000 • 10-10 м.

Анализ, проведенный Ю.В.Зайцевым показал, что различие в распределе нии напряжений у отверстий различной конфигурации, относящихся к дефек- там первого рода (треугольник, прямоугольник, овал и др.), не очень сущест венны и поэтому отверстия случайной формы можно заменить эллиптически ми отверстиями.

Формирование полостей и капилляров происходит с сохранением объек тивной закономерности - минимума поверхностной энергии, соответствующей круговым очертаниям поверхностей. Исследования пористости цементных ма териалов показывают, что коэффициент неравномерности пор в большинстве случаев составляет 1.15 - 1.40.

Дефекты в структуре материалов с пористыми заполнителями имеют ме сто как у матрицы, так и включений. Материалы стенок пор их прочность и другие свойства в матрице и включениях различны. Рассмотрим, какое же влияние оказывают оба компонента структуры на свойства материала. Суще ствуют теоретические концепции о зависимости прочности материалов с зер нистой дисперсной фазой от объемного содержания и свойств компонентов.

Они посвящены выявлению основных закономерностей формирования струк туры материала, анализу влияния свойств и содержания компонентов на его прочность. С.В.Максимовым показано, что керамические материалы с повы шенным содержанием отощителей можно рассматривать по аналогии с бето нами на пористых заполнителях. Предложенный ряд зависимостей для опре деления прочности бетонов и керамики на пористых заполнителях и отощите лях можно разделить на три группы.

К первой группе можно отнести наиболее простые зависимости, в кото рых прочность материала зависит от свойств компонентов и их относительного содержания. Типичным представителем этой группы является зависимость Ю.Е.Корниловича:

e (2.10) где RI - прочность растворной составляющей;

R2 - прочность крупного за полнителя;

- объемная концентрация заполнителя или отощителя.

Во вторую группу входят формулы, описывающие прочность материала в зависимости от деформативных свойств компонентов. Наибольшее признание среди них получила формула А.И.Ваганова, который выделяет две области разрушения. Так в первой области предел прочности им рекомендуется опре делять выражением:

e (2.11) где ЕЬ - модуль деформации материала при сжатии в момент разрушения;

u1 - предельная сжимаемость скелета;

u1 ‘ - предельная растяжимость скелета;

v - коэффициент Пуассона.

Разрушение материала в этой области будет начинаться с раствора.

После того как величина поперечных деформаций материала достигнет величины, равной предельной растяжимости заполнителя или отощителя, уве личение предельных деформаций материала прекратится. Разрушение в этой области начинается с заполнителя или отощителя. Предел прочности материа ла может быть определен выражением:

e (2.12) где sU2 - предельная растяжимость заполнителя или отощителя.

Третья группа объединяет формулы, учитывающие прочность компонен тов, их объемное содержание и деформативные свойства. При этом в зависи мости от исходных позиций возможно использование формулы Б.Г.Скрамтаева, учитывающей начало разрушения материала с растворной части:

R = R1.[l + (E2/E1-l)-], (2. ) где E1 и E2 - модули упругости заполнителя и раствора или с заполнителя у С.Е.Фрейфельда:

R = R2-[l + (Ei/E2-l)- ].

(2. ) Пористые заполнители перераспределяют напряжения в материалах, воз никающие благодаря различным модулям упругости связующего и заполните лей. Это позволяет, по данным Л.П.Орентлихер, существенно снижать резуль тирующие напряжения. Г.И.Горчаков и И.А.Иванов в связи с этим считают со отношение модулей упругости связующего материала и заполнителя одной из характеристик структуры силикатных материалов.

Пористые заполнители разгружают напряжения в материале, возникаю щие от внешней нагрузки. Напряжения в заполнителях превосходят средние по материалу. Контактная зона заполнителей, передающая напряжения от рас твора на заполнители, оказывает определяющее влияние на свойства материа ла. Напряжения в контактной зоне подразделяются на тангентальные и ради альные. Образование контактной зоны, отличающейся большей плотностью и деформативностью по сравнению с растворной составляющей, повышает ре зультирующую прочность материала. Обеспечение повышенной плотности контактной зоны пористых заполнителей, очевидно, может достигаться созда нием оптимальных условий водомиграционных процессов в период формиро вания структуры, образованием новых соединений в процессе твердения и спекания связующих.

2.4. Основные понятия о теплопередаче, состояние теории теплофизики строительных материалов Передача теплоты, происходящая в твердых телах, неоднозначна и опре деляется существующими для каждой из них закономерностями.

Теплопередачей называют теплообмен между двумя теплоносителями че рез разделяющую их твердую стенку или через поверхность раздела между ними.

Количество теплоты, переданное через изотермическую поверхность в единицу времени, называют тепловым потоком и измеряют в Вт (Дж/с). Ин тенсивность теплового потока прямо пропорциональна разности температур на нагретой и холодной поверхностях, т.е. температурному градиенту, который является вектором и имеет положительный знак при возрастании температуры.

Температурный градиент есть не что иное, как предел отношения измене ния температуры At к расстоянию между изотермами по нормали An при условии, что An —» 0, т.е (2.15) Это выражение справедливо для стационарного теплового режима.

Тепловой поток, отнесенный к единице поверхности тела, через которое осуществляется процесс теплопередачи, называют поверхностной плотностью теплового потока g = Q/F, Вт/м2. Величина g - вектор, направление которого противоположно направлению температурного градиента, так как тепловая энергия самостоятельно распределяется только в сторону убывания темпера туры.

Основной закон теплопроводности сформулирован Фурье: плотность теплового потока пропорциональна градиенту температуры (2.16) e где А, - множитель пропорциональности, характеризующий способность вещества (материала) проводить теплоту, т.е. его теплопроводность.

Из уравнения (2.16), которое является математическим выражением ос новного закона распространения теплоты путем теплопроводности (закон Фу рье), следует, что теплопроводность А, Вт/(м-К) или Вт/(м-°С), определяет ин тенсивность теплового потока, проходящего через 1 м2 поверхности при тем пературном градиенте 1 К/м (1°С/м), т.е. при разности температур на горячей и холодной сторонах материала толщиной 1м в 1К.

Перенос теплоты теплопроводностью характерен для веществ (материалов), находящихся в любом агрегатном состоянии. Он имеет место в сплошной среде, т.е. при непосредственном соприкосновении тел или частиц одного тела, имеющих различную температуру. В общем же виде теплопере- нос представляет собой сложный теплофизический процесс, в котором можно выделить кроме теплопроводности еще два элементарных вида переноса теп лоты: конвекцию и тепловое излучение.

Конвекцией называют перенос теплоты в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками вещества. Этот вид теплообмена свойственен движущимся жидкостям или газам. При этом различают два вида конвекции: естественную, при которой происходит самопроизвольное перемешивание частей жидкости или газа с различной температурой, и вынужденную, когда движение частиц вызывается внешними воздействиями (принудительном перемешиванием, продувкой и т.п.).

Интенсивность конвективного теплообмена (теплопереноса) характеризу ется коэффициентом теплопередачи а, определяемым по формуле Ньютона:

(2.17) e где F - поверхность теплообмена.

Значения и, следовательно, интенсивность теплообмена зависят от множества параметров этого процесса: формы, размеров и температуры конст рукций, скорости движения, температуры и физических свойств (вязкости, те плоемкости, плотности и т.д.) газов или жидкостей и ряда других факторов.

Однако при прочих равных условиях а зависит главным образом от усло вий движения среды. Поэтому значение конвективного теплообмена в ограж дающих строительных конструкциях и теплоизоляционных материалах опре деляется размером воздушных полостей и пор, а также степенью связанности этих полостей и пор между собой.

Тепловым излучением называют перенос теплоты в виде электромаг нитных волн с двойным взаимным превращением: тепловой энергии в лучи стую на поверхности тела, излучающего теплоту, и лучистой энергии в тепло вую на поверхности тела, поглощающего лучистую теплоту. Этот вид тепло передачи возможен лишь в газообразной среде или в вакууме.

Долю теплообмена лучеиспусканием определяют по формуле:

e (2.18) где п - приведенная степень черноты тел, между которыми происходит лучи стый теплообмен;

С0 - коэффициент излучения черного тела, равный 5.7Вт/(м • °С4);

TI и Т2 - температуры поверхностей, между которыми происходит теп лообмен.

В данной формуле наиболее значимой величиной являются температуры, которые находятся в четвертой степени. Следовательно, лучистый теплообмен решающим образом зависит от температуры материала или, вернее, от разно- сти температур между излучающей теплоту поверхностью и поверхностью, поглощающей теплоту.

Если рассмотреть элементарную пору в каком-то теплоизоляционном ма териале, заполненную воздухом или газом, то опираясь на закономерность, выраженную формулой (2.18), можно сделать следующее заключение. Чем больше диаметр поры, тем больше разница температуры между более и менее нагретыми ее поверхностями, тем, следовательно, более интенсивен теплооб мен излучением.

С другой стороны, анализ формулы позволяет сделать заключение о том, что при повышении степени нагретости тела (при повышении температуры эксплуатации материала) передача теплоты излучением возрастает.

Практика показывает, что этот вид теплопередачи имеет существенное, а иногда и превалирующее значение только при изоляции промышленного обо рудования, т.е. при высоких температурах. Следует заметить, что элементар ные виды теплообмена не обособлены и в чистом виде в задачах строительной теплофизики не встречаются. Как правило, в строительных конструкциях од новременно имеют место все виды теплообмена, поэтому количественная оценка вклада каждого из них в общую теплопередачу затруднена.

Теплоизоляционные материалы должны характеризоваться высокой об щей пористостью, так как воздух, заполняющий поры - плохой проводник те плоты, и не иметь сплошного каркаса из основного материала. С другой сто роны, для снижения конвективного переноса теплоты необходимо стремиться к максимально возможному уменьшению размеров пор и ходов, соединяющих эти поры. При этом теплоизоляционные материалы должны быть защищены от увлажнения, хорошо противостоять процессам гниения, замораживания и оттаивания, т.е. характеризоваться высокими эксплуатационными показателя ми.

Решающими показателями эксплуатационных свойств теплоизоля ционных материалов являются: термическая стойкость - способность мате риала выдерживать многократное попеременное нагревание и охлаждение;

температуростойкость - способность материала длительное время выдержи вать воздействие высокой температуры;

огнеупорность - способность мате риала выдерживать, не расплавляясь (не размягчаясь), воздействие высоких температур;

коррозионная стойкость - способность материала противостоять агрессивным средам и т.п.

По числу слоев конструкции подразделяют на однослойные и многослой ные. Однако с позиций теплофизики практически все строительные ограж дающие конструкции и тем более ограждения высокотемпературного техноло гического оборудования и трубопроводов следует считать многослойными.

Например, однослойные (по строительной номенклатуре) стеновые панели из керамзито- или газобетона фактически состоят из трех слоев: наружного фак- турного слоя, слоя основного материала и внутреннего отделочного слоя. Теп лопроводность каждого из этих слоев различна.

По форме ограждающие конструкции подразделяют на плоские, цилинд рические (трубопроводы) и шаровые стенки (емкости для хранения сжиженно го газа, воды и др.).

Теплопроводность ограждающих конструкций. Теплопроводность раз личных конструкций с удовлетворительной точностью можно описать единой формулой:

(2.19) где Fx - расчетная поверхность тела;

/ - термическое сопротивление или сопротивление теплопередаче.

В расчетах принимается, что температура поверхностей тела во всех точ ках одинакова или незначительно отличается. Если же температура на поверх ности изменяется резко, то необходимы сложные расчеты или эксперимен тальное определение теплопроводности.

Тепловые потери конструкций из одинаковых материалов зависят при прочих равных условиях от формы конструкции, так как она предопределяет площадь поверхности теплопередачи. Поэтому наименьшие потери характер ны для вогнутых поверхностей, наибольшие - для выпуклых;

для плоской стенки показательны промежуточные значения (рис.2.5).

Для расчетов теплопередачи через теплоизоляцию горячего оборудования необходимо знать коэффициенты теплопередачи на горячей и холодной сторо нах стенки (аг и ах). С учетом этих коэффициентов поток теплоты, передавае мый через стенку, описывается уравнением:

(2.20) где к - коэффициент теплопередачи, зависящий от толщины стенки, ее тепло проводности и коэффициентов теплоотдачи.

Величину, обратную к, называют полным термическим сопротивлением теплопередачи R (2.21) которая задается при проектировании ограждений.

При расчете ограждающих конструкций зданий учитывают погодные условия данной местности, которые приведены в СНиПах для всех климатических районов. На основе этих показателей рассчитывают сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций RO, которое должно быть не менее требуемого RoTp, устанавливаемого санитарно-гигиеническими условиями и определяемого экономическим расчетом Ro3K. Требуемое сопротивление теплопередаче:

(2.22) где п - коэффициент, зависящий от местоположения наружной поверхности конструкции (изменяется от 0.4 для стен, отделяющих отапливаемые помеще ния, до 1.0 для наружных стен);

tB - расчетная нормируемая температура внутри помещения;

tH - расчетная зимняя температура наружного воздуха;

tH - нормируемый температурный перепад между температурами внут реннего воздуха и стеной;

а„ - коэффициент теплопередачи внутренней поверхности ограждения.

Толщину ограждений определяют исходя из расчетного сопротивления конструкции R и теплопроводности материала:

(2.23) Если известны значения R и А,, то легко ориентировочно рассчитать тол щину теплоизоляционного слоя и материалоемкость ограждений с различными видами теплоизоляции (табл.2.4).

Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций с учетом эко номических условий определяют по формуле:

(2.24) где Бк - удельное капитальное вложение в устройство теплоснабжения;

Бэ - годовые удельные эксплуатационные затраты на отопление;

Тэ - нормативный срок окупаемости дополнительных капиталовложений;

КОГр - стоимость 1 м3 однослойной ограждающей конструкции или теплоизо ляционного слоя многослойной конструкции.

Таблица 2. Толщина и материалоемкость стены жилого дома из различных строительных материалов (R = 1,5 г.Ульяновск) Материал стены Теплопроводность, Толщина Масса 1м Вт/(м-°С) стены, м стены, кг Кирпичная кладка 0.77 0.99 Керамзитобетон Газобетон 0.41 0.53 0. (рср=600кг/м3) Алюминиевая 0.21 0. 0.041 конструкция с пенополиуретаном Из формулы (2.24) следует, что для сохранения постоянным Ro3K удоро жание теплоизоляционного материала должно быть пропорционально сниже нию теплопроводности. Например, если сравнить удельную стоимость фибро лита 8уд = А,Когр = 0.098 • 18.5 = 1.6 с удельной стоимостью пенополистирола, равной 0.041 • 30 = 1.2, то можно убедиться, что в данном случае достигается явное снижение удельной стоимости, несмотря на более высокую стоимость м3 последнего. Из этого следует, что необходимо стремиться к производству материалов с пониженной теплопроводностью.

На первом этапе при расчете температур и теплозащитных показателей конструкций основным и решающим фактором является теплообменный про цесс.

Теория теплоустойчивости О.Е.Власова доказала ошибочность оценки те плоустойчивости ограждения только по величине теплоемкости и была поло жена в основу современного теплотехнического расчета ограждающих конст рукций.

К.Ф.Фокиным разработаны методы конструирования ограждающих кон струкций с учетом их теплотехнических свойств, способ расчета температур ных полей при стационарной и нестационарной теплопередаче методом ко нечных разностей. Выполнены расчеты влажностного режима ограждающих конструкций при увлажнении жидкой и парообразной средой, предложена методика определения расчетных зимних температур наружного воздуха.

Ф.В.Ушков исследовал теплообмен ограждающих конструкций крупно панельных зданий. Им даны решения двумерных задач стационарной тепло проводности, разработан метод расчета приведенного сопротивления теплопе редаче наружных стеновых панелей сложной конфигурации.

В.М.Ильинский создал основу строительной климатологии и климатиче ского районирования территории стран СНГ.

Б.Н.Богословский разработал методику комплексного расчета теплового режима помещений, который рассматривался совместно с воздушным и дал возможность учета различных факторов на решение проблемы создания опти мального микроклимата помещений.

Теория теплопроводности и теория сушки А.В.Лыкова послужили осно вой для решения вопросов теплопередачи с учетом всего комплекса процессов, происходящих в ограждениях. Он одним из первых обратил внимание, что улучшение эксплуатационных характеристик ограждающих конструкций непосредственно связано с учетом вида материала, его структуры, фазового состава.

Изменение теплопроводности строительных материалов происходит вследствие того, что всякий строительный материал состоит из основного ве щества - основы и воздуха, содержащегося в порах материала. Теплопровод ность воздуха имеет очень незначительную, по сравнению с теплопроводно стью основного вещества материала, величину, зависящую главным образом от размеров и формы пор, например 0.021 Вт/м-°С при размере пор около 0. мм до 0.027 Вт/м-°С при размере пор около 2 мм. Коэффициент теплопровод ности самого материала равен некоторой средней величине А, между А,с основного вещества материала и Хв воздуха, содержащегося в порах. Чем меньше пор в материале, тем больше коэффициент теплопроводности и наоборот.

Однако единой для всех материалов зависимости между теплопроводно стью материала и его плотностью не существует, т.к. на величину коэффици ента теплопроводности оказывает влияние кроме пористости также размеры пор и структуры материала. При одинаковой пористости величина /I (среднее) будет тем больше, чем крупнее поры материала, так как с увеличением разме ра пор повышается коэффициент теплопроводности воздуха, заключенного в порах. Кроме того, имеет значение, будут ли поры замкнуты или сообщаю щиеся. При сообщающихся порах в материале могут возникать конвекцион ные потоки воздуха, что приводит к увеличению его коэффициента теплопро водности. Стремление изготовить из определенного исходного сырья тепло изоляционный материал, обладающий все меньшей плотностью, неизбежно приводит к увеличению размера пор между твердыми составными частями. Но в крупных порах имеет место большая разность температур стенок пор, чем в мелкопористых материалах, это же влечет, в свою очередь, на увеличение лу чистого теплообмена в порах.

Вместе с тем, влияние пористости нельзя рассматривать отдельно без взаимосвязи с влажностью материалов. Передача тепла через полости, содер жащие смесь воздуха, воды и водяных паров, может осуществляться различ ными путями: вследствие проводимости воздуха, путем конвекции, вследствие проводимости воды, путем диффузии паров воды в воздухе.

Передача тепла вследствие проводимости воды имеет место в том случае, когда содержание воды в материале достаточно велико, так что воздух в неко- торых полостях, в частности в капиллярах, частично или полностью замещает ся водой. Коэффициент теплопроводности воды увеличивается от 0.568 до 0.66 Вт/м-°С при повышении температуры от 0 до 100 °С.

С повышением температуры коэффициент теплопроводности возрастает тем больше, чем меньше плотность материала. Имеет место увеличение теп лопроводности основы. Отмечено, что с увеличением температуры теплопро водность кристаллических тел понижается, а теплопроводность стеклообраз ных - повышается, причем интересен переход этих зависимостей через 0°С.

Для стеклообразных материалов он характеризуется плавным переходом, поч ти прямолинейной зависимостью, для кристаллических наблюдается резкий подъем теплопроводности, а затем спад. Следовательно, наличие аморфной составляющей в цементном камне и заполнителе будет оказывать благоприят ное влияние на теплотехнические свойства материалов при эксплуатации в ус ловиях отрицательных температур.

Согласно О.Е.Власову, изменение теплопроводности с повышением их температуры происходит в результате увеличения теплопроводности.

Интенсивность влажностных приращений в целом увеличивается с уменьшением плотности силикатных материалов.

Линейной зависимости теплопроводности с увеличением влажности нет, несмотря на прямое различие коэффициентов теплопроводности воды и возду ха. На сорбционной стадии приращения теплопроводности несколько больше, чем на сверхсорбционной. Объяснение этому можно найти из анализа анома лий воды. Теплопроводность структурированной адсорбционной воды при температуре 25 - 30 °С почти в 40 раз больше (35 Вт/м2-град) теплопроводно сти воды в обычном состоянии. Это свидетельствует о доминирующем влия нии сорбционной влаги на теплопроводность материала. Отсюда очевидна ак туальность повышения точности определения сорбционной влажности для прогнозирования равновесного влагосодержания материала в отопительный период.

2.5. Теоретические принципы формирования оптимальной пористой структуры теплоизоляционных материалов Оптимизация волокнистой структуры материалов. Пористость тепло изоляционных волокнистых материалов складывается из межволокнистой по ристости и пористости самих волокон. Подавляющее количество волокнистых теплоизоляционных материалов производится из волокон, пористость которых равна нулю (минеральных, стеклянных, муллитокремнезёмистых).

Поэтому применительно к ним оперируют понятием межволокнистой пористости. Поры в материалах с волокнистой структурой имеют неопределенную форму и представляют собой сообщающуюся систему воздушных полостей, в которой замкнутую поры отсутствуют.

Теплопроводность таких материалов во многом зависит от размера пор, определяющего вклад конвективного переноса теплоты. Уменьшение размеров пор достигают простым приемом - снижением диаметра волокон, т.е.

увеличением их в единице объема материала. Кроме того, чем тоньше волокно, тем меньше площадь контакта между волокнами и тем больше этих контактов, что повышает сопротивление материала передаче теплоты.

Сечение волокон должно быть круглым, так как в этом случае, во - пер вых, уменьшается масса твердой фазы в единице объёма материала и, во - вто рых, становится меньше площадь контактов между волокнами, что снижает теплопроводность через волокна.

По теплофизическим характеристикам оптимальна неровная (рыхлая) по верхность волокон, так как при этом еще больше уменьшается площадь кон тактов между волокнами. Однако при этом снижается прочность и упругость волокон, увеличивается расход связующего.

Таким образом, оптимальны волокна круглого сечения с плотной гладкой поверхностью, без резкого перепада диаметра по всей их длине.

Оптимизация материалов с зернистой структурой. Пористость мате риалов с зернистой фазой складывается из внутримежзерновой пористости гранул и образующейся пористости раствора. Внутризерновая пористость, в большинстве случаев характеризующаяся ячеистой структурой, может быть закрытой (гранулы пенополистирола, керамзита) и открытой (перлит, верми кулит). Объем межзерновой пустотности, занимаемой раствором, определяется гранулометрическим составом и формой зерен и не зависит от их размера. Чем однороднее по размерам зерна, тем выше межзерновая пустотность. Полифракционные зернистые материалы характеризуются более плотной упаковкой и, следовательно, большой насыпной плотностью.

Основными параметрами структуры материалов с пористыми заполните лями являются: межзерновая пустотность заполнителей, толщина омоноличи вающих их пленок, содержание воздушной фазы (рис.2.5). Нами в дальнейшем в основном рассматриваются плотные упаковки заполнителей (рис.2.6).

При плотной гексагональной упаковке пористые заполнители разных раз меров находятся в условиях соприкосновения, предельный объем занимаемый ими составит:

(2.27) При условии покрытия пористых заполнителей тонкой пленкой, образующей после камнеобразования контактную зону, их объем можно определить по зависимостям:

(2.28) где Дз - диаметр заполнителей;

k - толщина контактной зоны заполнителя.

Общая толщина контактной зоны в бетонах на пористых заполнителях и цементном связующем колеблется от 30 до 60 мкм.

Полидисперсный характер пористых заполнителей увеличивает удельный объем заполнителей, снижает межзерновую пустотность. В случае идеального распределения гранул заполнителей по схеме четырехмерной гексагональной решетки, занимаемый ими объем составит:

(2.29) где Дзм - максимальный диаметр заполнителей.

По аналогии с заполнением объема пористыми заполнителями рассмотрим заполнение пористых заполнителей и межзернового пространства цементного камня порами различных размеров. Максимальный объем, зани маемый порами в заполнителях и в цементном камне, составит соответствен но:

(2. ) где Дп.з и Дц.к - соответственно поры в заполнителе и цементном камне;

§ст.з и SCT.U.K - толщина стенок пор в заполнителе и цементном камне;

Уц.к объем цементного камня;

Уц.к = 1- УЗ.

Плотности контактной зоны цементного камня и корковой части заполни телей имеют толщины по 45 мкм. Вокруг гранул заполнителей в процессе при готовления образуются обмазки, толщина которых увеличивается с ростом гранул, снижением их насыпной плотности, уменьшением округлости и повы шением шероховатости. Как уже отмечалось, оптимальная величина зерен за полнителей второй фракции составляет 0.226 от ее диаметра. Это позволяет образовывать плотные упаковки смеси заполнителей, пустотность которых по данным П.И.Боженова всегда будет меньше 21 % (рис. 2.6). При этом создает ся плотная упаковка заполнителей, в связи с чем пористость материала опре деляется в основном насыпными плотностями используемых фракций запол нителей.

Максимальные значения пористости материалов на минеральных вяжу щих с наиболее распространенной четырехмерной решеткой при наличии пе регородок между порами могут достигать 73.8 %, при этом минимальная сред няя плотность материалов составит 590 кг/м3.

Формирование оптимальной ячеистой структуры материалов. Общая пористость материала с ячеистой структурой образуется из ячеистой пористо сти (макропористости) и пористости межпоровых перегородок (микро пористости). Объем ячеистой пористости определяется пространственным расположением пор (их упаковкой), распределением пор по размерам, макси мальным и средним размером пор, их формой, толщиной межпоровый перего родок. Наибольшее значение пористости при сферической форме пор достига ется в условиях геометрически правильной их укладки (упаковки), к которой относятся кубическая (52.4 %) и гексогональная (74.05 %). В этом случае ми нимальная средняя плотность полимерных материалов составит 330 кг/м3, а минеральных 735 кг/м3, т.е. она значительно выше допустимой для теплоизо ляционных и акустических материалов.

Повышенная пористость достигается созданием тонких и прочных пере городок и полидисперсного характера распределения пор в полимерных (пенопласты) и неорганических (газобетон, пеностекло) материалах.

Максимальные значения пористости ячеистых бетонов составляют 92 %, при этом их средняя плотность равна 200 кг/м3. Это достигается применением высокодисперсного сырья, некоторым увеличением средней крупности пор и частичной самопроизвольной деформацией пор в многогранники.

Для теплоизоляционных материалов и изделий идеальной является пористая структура с замкнутыми ячейками. Технологическими параметрами необходимо добиваться, чтобы в процессе изготовления изделий не происходило разрывов в стенках пор.

РАЗДЕЛ ВТОРОЙ. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЯХ Глава 3. Природные строительные материалы 3.1.

Лесные породы Древесина, имея волокнистое строение и большую пористость (30 80%), обладает огромной внутренней поверхностью, которая легко сорбирует водяные поры из воздуха, её гидроскопичность равна 30 %. Применение дре весины во влажных условиях требует устройства гидроизоляционных покры тий. Теплоизоляционные и акустические материалы из древесины имеют те плопроводность 0.17 - 0.35 Вт/(м · °С) и коэффициент звукопоглощения в зависимости от частоты звуковых волн 0.15 - 0.92. Древесина горючий материал, характеризующийся практически одинаковыми температурными показателями воспламеняемости 238 - 255 °С, требует защитных огнестойких покрытий. Дерево состоит из корневой системы, ствола и кроны. Древесина имеет слоисто-волокнистую структуру, т.е. анизотропное строение. Ствол составляет 70 - 90 % от всего объёма дерева (рис.3.1, 3.2).

Ствол состоит из коры, луба, камбия, древесины и сердцевины. Кора со стоит из корки и луба. Луб проводит питательные вещества от кроны в ствол и корни. Кора составляет от 6 до 25 % объёма дерева.

Камбий, расположенный под лубом тонкий кольцевой слой живых кле ток, способных к делению и росту;

большая их часть откладывается в сторону древесины, меньшая - в сторону луба. Древесина является основной частью ствола и находится под камбиальным слоем. По ней поднимается вода из корней в крону.

Сердцевина - примерно в центре ствола вдоль его оси является рыхлой первичной малопрочной тканью.

Породы древесины, имеющие ядро, называются ядровыми. К ним отно сятся из хвойных пород - сосна, лиственница, кедр и др.;

из лиственных -дуб, ясень, вяз и др. Породы, не имеющие ядра, имеют развитую периферийную часть - заболонь и называются забоданными. Берёза, липа, клён, граб и другие являются заболонными породами. Различают ещё одну разновидность пород - спелодревесные, которые имеют спелую древесину в центральной части ствола (более сухую, чем остальная). К ним относятся ель, пихта, бук, осина и др.

У хвойных пород присутствуют смоляные ходы. Они бывают вертикаль ными и горизонтальными, сообщающимися друг с другом. Смола повышает стойкость древесины против гниения.

Древесина состоит из годичных слоев. Каждый годичный слой пред ставлен ранней (весенней) и поздней (летней) древесиной. Ранняя древесина образуется весной и в начале лета, поздняя - летом и в начале осени. Череду ясь, ранняя и поздняя древесина создают слоистость в строении дерева. Лет няя древесина является более плотной, чем весенняя.

Дерево состоит из разного рода клеток и тканей. Большая часть клеток вытянута вдоль ствола, меньшая - в поперечном направлении.

Клетки классифицируют по форме и назначению. По форме различают вытянутые в длину (параллельно оси ствола) прозенхимные клетки и клетки круглой или многогранной формы, все грани которых примерно равны между собой - паренхимные клетки.

Поперечные размеры большинства клеток от 0.01 до 0.1 мм, длина 0.5 10 мм. У крупных сосудов диаметр составляет 0.3 - 0.4 мм, а длина в отдель ных случаях достигает 2 - 3 мм.

По назначению различают клетки проводящие (они составляют прово дящую ткань);

опорные или механические (составляют механическую ткань), запасающие, образовательные, расположенные в слое камбия, ассимиляци онные - в листве и хвое (усваивают углекислоту воздуха в процессе фотосин теза), покровные - в корке дерева.

В хвойных породах роль проводящих клеток играют трахеиды весенней древесины, опорных - трахеиды летней древесины.

В лиственных породах проводящими являются сосуды - крупные клетки с тонкими стенками и большой внутренней полостью, округлой в сечении, и опорными - древесные волокна, клетки с утолщёнными стенками и узкой внутренней полостью.

Запасающие клетки, паренхимные находятся в лубе и сердцевинных лу чах как у хвойных, так и у лиственных пород.

Каждая клетка имеет оболочку (стенку), древесина растущего дерева со держит живые и отмершие клетки. В живых клетках содержится протопласт (плазма и ядро). С ростом дерева протопласт в некоторых клетках высыхает, а клетки отмирают. Срубленная древесина состоит из омертвевших клеток, т.е. клеточных оболочек.

Оболочки клеток примерно на 99 % состоят из органических соединений (по массе), главнейшим из которых является целлюлоза (СбНюО5)п, где п степень полимеризации. Кроме целлюлозы в клеточных оболочках содержат ся лигнин и др. Древесными породами, применяемыми в строительстве, яв ляются хвойные и лиственные. Хвойные породы: сосна, ель, лиственница, пихта, кедр. Приведённый порядок соответствует их значимости и объёмам применения.

Сосна - ядровая порода, имеющая смоляные ходы. Сосна имеет невысо кую среднюю плотность и сравнительно высокую прочность, например пре дел прочности при сжатии вдоль волокон около 50 МПа. Применяется в виде брёвен и пиломатериалов для плотничных и большинства столярных изделий, производства фанеры.

Ель - спелодревесная порода, имеет незначительное количество смоля ных ходов, менее стойка против загнивания, чем сосна. Средняя плотность и прочность ели несколько ниже, чем у сосны. Вследствие повышенной сучко ватости трудно обрабатывается. Ель применяют как сырьё в целлюлозно бумажной промышленности.

Лиственница - ядровая порода, имеющая мелкие немногочисленные смоляные ходы, обладает высокой плотностью, стойкостью против загнива ния и прочностью. По физико-механическим свойствам она превосходит все хвойные породы. Широко применяется в гидротехническом строительстве и мостостроении.

Пихта - спелодревесная порода с широкими годичными слоями, не име ет смоляных ходов;

менее стойкая против загнивания и менее прочная, чем сосна. По физико-механическим свойствам близка к ели, применяется нарав не с ней.

Кедр - ядровая порода, имеет смоляные ходы;

по физико-механическим свойствам он приближается к сосне. Кедр имеет мягкую, лёгкую, легкообра батываемую древесину. Применяется в виде круглых лесоматериалов, в про изводстве фанеры и др.

Из группы лиственных кольцесосудистых пород наибольшим примене нием в строительстве пользуются дуб, ясень, вяз.

Дуб - ядровая порода, имеет широкие и узкие сердцевинные лучи, отли чается красивой текстурой и цветом. Отличается высокой стойкостью против гниения, прочностью (при сжатии вдоль волокон около 60 МПа) и вязкостью.

Применяется как отделочный материал, а также в гидротехническом строи тельстве.

Ясень - ядровая порода, по текстуре напоминает дуб, имеет только узкие сердцевинные лучи. По стойкости против гниения и прочности несколько ус тупает дубу. Применяется как отделочный материал.

Вяз - ядровая порода, имеет плотную, вязкую, твёрдую и прочную дре весину. По физико-механическим свойствам уступает дубу. Применяется при производстве фанеры, мебели.

Из группы рассеяннососудистых наибольшее применение имеют мягкие - берёза, осина, ольха, липа;

твёрдые - бук, граб, клён.

Берёза - заболонная порода. Древесина имеет высокие среднюю плот ность, но низкую стойкость против загнивания. Применяется для производст ва фанеры, паркета, отделочных работ.

Осина - спелодревесная порода с мягкой древесиной, малой стойкостью против загнивания, по прочности уступает берёзе.

Ольха - заболонная порода с лёгкой древесиной, малостойкая против за гнивания.

Липа - заболонная порода с лёгкой древесиной, малостойкая против за гнивания. Используют осину, липу, ольху при изготовлении мебели, фанеры, тары.

Бук - спелодревесная порода. Имеет плотную, высокопрочную, но мало стойкую против загнивания древесину, по свойствам близок к дубу. Приме-' няется для производства мебели, паркета, фанеры.

Граб - заболонная порода. Древесина тяжёлая, обладает повышенными показателями свойств по сравнению с дубом. При высыхании древесина зна чительно растрескивается и коробится. Применяется для тех же целей, что и бук.

Клён - заболонная порода. Древесина плотная, тяжёлая, физико механические свойства выше, чем у дуба. Применяется для производства фа неры и как отделочный материал.

Свойства древесины. Свойства древесины подразделяются на физиче ские и механические. К основным физическим свойствам древесины относят влажность (W), усушку, разбухание, истинную плотность, среднюю плот ность, пористость, теплопроводность и др.

В древесине содержится влага трёх типов: связанная или гигроскопиче ская;

свободная или капиллярная;

химически связанная.

Влажность, соответствующая предельному содержанию связанной влаги при полном отсутствии свободной влаги, называется пределом гигроскопич ности древесины или точкой насыщения волокон. Колебания значений предела гигроскопичности небольшие и в среднем данное значение принима ется равным 30 %.

По степени влажности древесину разделяют на мокрую, W = 100 %, свежесрубленную - W = 35 - 100 %, воздушно-сухую - W = 15 - 20 %, ком натно-сухую W = 8 -13 %, абсолютно-сухую - W - 0 %.

Усушка и разбухание древесины происходят при изменении её влажно сти. Различают линейную и объёмную усушку. Линейную усушку определя ют поперёк волокон в двух направлениях - тангенциальном и радиальном.

Усушку вдоль волокон (продольную) ввиду её незначительной величины не определяют.

Линейная усушка вычисляется по формулам, %:

для тангенциального направления -yt = [(а - ао) / а] • 100;

(3. ) для радиального направления - yt = [(b - bo) / b] • 100, (3.2) где а и b - размеры образца в естественном состоянии соответственно в тан генциальном и радиальном направлениях;

ао и bo - размеры образца в тех же направлениях в абсолютно сухом со стоянии.

Объёмную усушку вычисляют в процентах без учёта продольной усушки по приближённой формуле:

Yv = [(ab-a0bo)/ab]- (3. ) Вследствие волокнистого строения древесина имеет разную усушку в различных направлениях. Усушка в радиальном направлении составляет 3- %, в тангенциальном в полтора-два раза больше, чем в радиальном.

Объёмная усушка составляет в среднем 12-15 %. Усушка и разбухание происходят в пределах гигроскопичности: в интервале влажности 0-30 %.

Истинная плотность древесного вещества всех пород примерно одинако ва и составляет 1.54 г/см3.

Средняя плотность древесины изменяется в широких пределах от (сибирская пихта) до 1110 кг/м3 (ядро фисташки).

Среднюю плотность древесины с данной влажностью пересчитывают на плотность при стандартной влажности 12, соответствующей комнатно сухому состоянию древесины (г/см3);

So12 = Sow[l + 0.01-(l - r0)(12 - W)], (3. ) где Son - средняя плотность образца древесины при влажности W = 12 %;

Sow - средняя плотность влажного образца при влажности W %;

г0 - коэффициент объёмной усушки, который показывает, на сколько процентов изменяется объём образца при изменении влажности на 1 %;

W - влажность испытываемого образца, %.

Теплопроводность древесины вследствие её высокой пористости невели ка, но вдоль волокон она значительно больше, чем поперёк. Так, например, у сосны теплопроводность в вдоль волокон равна 0.35 Вт/(м-°С), а поперёк во локон 0.17 Вт/(м-°С). Она также выше в радиальном направлении, чем в тан генциальном.

Механические свойства древесины характеризуются пределами прочно сти при сжатии, растяжении, статическом изгибе и скалывании.

Предел прочности древесины (с влажностью W в момент испытания) при сжатии вдоль волокон (Rc5Kw) определяют на стандартных образцах (прямоугольных призмах сечением 20 на 20 мм и длиной 30 мм) и рассчиты вают по формуле:

RCJKW = Pmax / ab, (3.5) где Pmax -- максимальная разрушающая нагрузка, Н;

a, b - размеры поперечного сечения, м.

Предел прочности при сжатии поперек волокон значительно меньше (10-30 %) от предела прочности при сжатии вдоль волокон.

Наибольшим является предел прочности при растяжении вдоль волокон, в 2-3 раза выше, чем при сжатии вдоль волокон. Предел прочности при ста тическом изгибе RH3r древесины (с влажностью W) в момент испытания оп ределяют на образцах-балочках размерами 20x20 и длиной 300 мм при воз действии двух симметрично расположенных сил и вычисляют по формуле:

RH3w = Pmax - 1 / (bh2), (3.6) где Pmax - разрушающая сила, МПа;

1 - расстояние между опорами (пролёт образца-балки), м;

b и h - ширина и высота балки, м.

Прочность древесины при скалывании вдоль волокон невелика и состав ляет примерно 12-25 % от предела прочности при сжатии вдоль волокон.

Прочность древесины приводится к стандартной влажности 12 % по формуле:

R12 = Rw[l + a(W - 12)], (3. ) где Rn - предел прочности при влажности 12, МПа;

Rw - предел прочности при влажности W, МПа;

W - влажность испытуемой древесины, %, a - поправочный коэффициент на влажность, который показывает, на сколько изменяется прочность древесины при изменении влажности на 1% (в пределах влажности от 0 до 30 %).

Для сосны коэффициент а при сжатии и изгибе равен 0.04, т.е. материал теряет 4 % прочности при увеличении влажности всего на 1 %.

Жёсткость древесины и способность деформироваться под нагрузкой ха рактеризуются модулем упругости:

E = R/8, (3.8) где R - предел прочности древесины, МПа;

8 - относительная деформация, мм/м.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.