Строение и свойства строительных материалов

Лекция 1

Строение и свойства строительных материалов

 

1. Типы структур строительных материалов. Методы их исследования
2. Основные свойства строительных материалов

 

Строительное  материаловедение-наука, изучающая строение, свойства строительных материалов, в зависимости от их состава, теплового химического и механического воздействия.

Классификационные признаки:

• Назначение
• Вид механического сырья
• Основной показатель качества
• Функциональное назначение
• Происхождение

По назначению:

Универсального: природные каменные, вяжущие, искусственные каменные, металлы, полимеры, древесина, композиционные материалы.

Специального назначения: теплоизоляционные, акустические, отделочные, антикоррозионные, для защиты от радиационного воздействия.

 

Структура строительных материалов - пространственное расположение частиц разной степени дисперсности, совокупностью устойчивых взаимных связей и порядком сцепления их между собой( с учетом расположения пор, капилляров, поверхностей разделов ваз, микротрещин и других структурных элементов)

 

Структура подразделяется на:

• Макро-уровень – видимость невооруженным глазом.
• Микро-уровень – видимость при детальном увеличении.
• Внутреннее строение вещества – электронная микроскопия.

 

Структура материалов характеризуется:

• Химическим составом (Х.С показывает процентное содержание в материале химических элементов, или оксидов)
• Минералогическим составом (М.С показывает процентное содержание минералов , к примеру 3CaO∙SiO₂ , C₃A∙CaSO₄∙32H₂O
• Фазовым составом(Ф.С указывает на содержание в материале фаз, то есть частей однородных по химическому составу и физическим совйствам, и отделенных друг от друга поверхностями разделов)

 

Материалы, представленные одной фазой, называются гетерогенными.

 

Метроды изучения строительных материалов:

 

• Макроскопические
• Методы электронной микроскопии
• Методы рентгеноструктурного анализа (РФА)
• Физические
• Термический анализ
• Магнитные методы
• Люминесцентные
• Ультразвуковые
• Электроиндуктивные
• Метод ртутной порометрии

 

Свойства – характеристика материала, проявляющаяся в процессе его обработки, приложений или эксплуатации.

 

Физические свойства:

• Истинная плотность материала – масса еденицы объёма материала в абсолютно плотном состоянии. ρ= m/V_a [г/см³, кг/м³], где m – масса материала.
• Средняя плотность – масса единицы объёма материала в естественном состоянии, вместе с порами. ρ= m/V_ест, [г/см³, кг/м³], где m – масса образца в естественном состоянии.
• Насыпная плотность – отношение массы вещества в насыпанном состоянии к его объёму
• Пористость– истинная степени заполнения объёма материала порами П= V_пор/V
• А также: гигроскопичность, капиллярное всасывание, водонасыщение, водопроницаемость и водонепроницаемость.

 

Химические свойства – способность материалов сопротивляться действию химической агрессии. Очень важный показатель для строительных материалов, поскольку агрессивная среда на практике встречается повсеместно. Почва, воздух и вода – источники химической агрессии. В строительстве может быть обусловлена:

• Арессивными веществами в грунте или грунтовой воде. (Фундамент, опоры мостов итд)
• Арессивными химическими веществами в окружающей атмосфере (Кровля, фасады зданий)
• Агрессивной жидкостью или химическими веществами, хранящимися в сооружении или транспортируемыми по нему. (Соответствующие спец. Материалы)

Механические свойства - реакция материала на приложенные механические  нагрузки.

Упругость, пластичность, твердость, жесткость, влажностные деформации, паро- и газопроницаемость, морозостойкость, теплопроводность, огнеупорность, огнестойкость  и радиационная стойкость.

 

Технологические свойства - характеризуют поведение материала при его производстве и применении.

• Удобоукладываемость
• Теплоустойчивость
• Плавление
• Скорость затвердевания и высыхания

 

 

 

 

Раздел 2

 

Минеральные(неорганические) вяжущие вещества.

 

МВВ – минеральные порошки, способные при смешивании с водой образовывать вязкопластичное тесто, которое затвердевает с течением времени и превращается в камневидное тело.

 

Общая классификация

• Воздушные вяжущие – вяжущие, которые твердеют только на воздухе.
• Гидравлические вяжущие – вяжущие, твердеющие как в воде, так и на воздухе, причём водные условия являются более предпочтительными.
• Автоклавные – вяжущие, твердеющие только при повышенной температуре t и давлении p, или в автоклавах. На воздухе и в воде не твердеют. (Известково–кремнеземные(известь+песок), известково-зольные(известь+зола), нифелиновые вяжущие (Нефелин (элеолит) — породообразующий минерал, алюмосиликат калия и натрия ортокремниевой кислоты (Na,K)AlSiO₄))

 

Воздушные вяжущие:

• Воздушная известь
• Гипсовые вяжущие
• Магнезиальные вяжущие (каустический доломит, магнезит)
• Жидкое стекло (растворимые силикаты K₄Na

 

Воздушная известь CaCO₃

Получают из известняков(CaCO₃ )или доломитизированных известняков (MgCO₃)

Содержание глинистых  примесей до 6%, измельчение пород до кусков 5-10мм, обжигается в печах(шахтных, вращающихся) при температуре от 900 до 1200 ^◦C

CaCO₃→CaO+CO₂↑ - обжиг, происходит уменьшение в объёме на 10-12%, потеря по массе 44%

Продукты обжига по способам дальн. обработки делятся на:

• Комовая известь
• Измельченная известь (известь-кипелка)

 

Гашение извести: CaO+H₂O→Ca(OH)₂+Q, Q=1180 кДж, это экзотермическая реакция с выделением теплоты.

Продукты гашения: 60-70% H₂O→известь-пушонка

Известь самоизмельчается в следствии  хим. Реакций

200-500% H₂O→известковое тесто

300-400% H₂O→известковое молоко

Твердение извести

1. Образование кристаллического сростка Ca(OH)₂ , R_{сростка} 4-6 [кгс/см²], или 0,4-0,6 МПа
2. Реакция карбонизации Ca(OH)₂+ CO₂→ CaCO₃+ H₂O, процесс идёт очень медленно, от поверхности кристаллического сростка вглубь (1мм в год) R_{Кр.Сростка} 60-80 [кгс/см²], или 6-8 МПа

 

 

Свойства извести:

Активность  извести – содержание активных Ca и Mg. Для того, чтобы найти содержания Ca и Mg, используют метод титрования: 1мг тонкоизмельченной извести помещают в колбу с водой(150[мл] H₂O), и нагревают, не доводя до кипения. После колба охлаждается под действием струи воды из крана. Далее добавляют 1-2 капли 1% р-ра фенолфталеина(индикатор), и раствор окрашивается в малиновый цвет. Затем начинают титрование, путём добавления в раствор 1Н(одно-нормального) р-ра HCl. Начинается процесс обесцвечивания. Титрования считается законченным, если весть раствор обесцвечивается и не меняет водной окраски. (Во время титрования необходимо тщательно перемешивать известь в колбе)

A=2.8V/m_{извести}%, где V-объём 1H раствора HCl, пошедшей на титрование [мл], m_{извести} – масса извести, 1[гр], A – активность.

Пример: на титрование пошло 30мл 1Н р-ра HCl =>A=2.8*30/1%=84%

 

3 сорта извести:

 

• 1 Сорт: A не менее 90%
• 2 Сорт: 80%<A<90%
• 3 Сорт: 70%<A<80%

 

Температура и скорость гашения.

Определяется в сосуде Дьюара

Скорость гашения – время в минутах с момента взаимодействия с водой, до момента достижения максимальной температуры T_max

Т до 70^◦C   - низкоэкзотермическая

T  ≥  70 ^◦C – высокоэкзотермическая

По ГОСТ:

• Быстрогасящаяся  - скорость гашения до 8 минут.
• Среднегасящаяся – скорость гашения от 8 до 25 минут.
• Медленногасящаяся – скорость гашения более 25 минут.

 

Выход известковоо теста 

100гр CaO - комовая

200-250гр H₂O

В=V_И.Т /m_из [л/кг], по госту классифицируется на:

• Тощую известь   2,5<B<3,5 [л/кг]
• Жирную известь B>3,5[л/кг]

Количество непогасившихся зерен:

Известковое тесто помещают на сито 0,6мм и промывают водой.

Количество н/п зерен = (m_{зерен после выборки}  /m _{извести} )%

По ГОСТ делится на 3 сорта:

• 1 Сорт – не более 7% непогаш. зерен
• 2 Сорт – не более 11% непогаш. зерен
• 3 Сорт – не более 14% непогаш. зерен

Непогашенные зерна  делятся на 2 категории:

Зерна недожога CaCO₃ <  900^◦C (Недожог выявляется кислотой, точно не помню какой, вроде соляной HCl)

Зерна пережога CaO > 1200 ^◦C (Оплавлены, с кислотой не реагируют)

Использование воздушной извести:

• Кладочные, штукатурные работы.
• Изготовление силикатного кирпича.
• Изготовление силикатных бетонов.
• Побелка.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГИПСОВЫЕ ВЯЖУЩИЕ

Классификация:

 

• Низкообжиговые (строительный гипс, высокопрочные гипс, формовочный – медицинский гипс) t=120-170 ^◦C
• Высокообжиговые (ангидридовый емент, высокообжиговый гипс)

Строительный и высокопрочный  гипс.

Получение строительного гипса:

Природный гипс обжигается при  t=120-170^◦C

CaSO₄∙2H₂O→CaSO₄∙0,5H₂O+1,5H₂O↑

Воды затворения 50-70%, β-модификация.

 

Высокопрочный гипс получается путем  обжига в автоклавах, t=125^◦C, при давлении P=1.3 атм. ₂CaSO₄∙0,5H₂O, получаются крупные, ярковыраженные кристаллы. Вода затворения 40-50%

Твердение – результат физико-механических процессов, при взаимодействии гипса с водой.

CaSO₄∙0,5H₂O+1,5H2O→CaSO₄∙2H₂O+Q, Q=455 [КДЖ/Кг]

Физические процессы твердения.

1 стадия – подготовительный  процесс, растворение гипса.

2 стадия – период образования  коллоидных растворов или период  схватывания.

3 стадия – образование кристаллического сростка CaSO₄∙2H₂O

Этапы кристаллизации.

1 – образование кристаллического  сростка CaSO₄∙2H₂O

2 – процесс испарения воды  из контактов кристалла

R₂ > R₁ в 2 раза

Технические свойства гипса:

Тонкость помола = mост/mобщ∙100%

По ГОСТу разделают на сорт тонкого, среднего и грубого помола.

 

 

 

Гипсовое тесто

Определяется 2 свойства:

Нормальная густота  гипсового теста – выражается в процентах, количество воды, необходимой для получение гипсового теста стандартной консистенции и вязкости.

Стандартная консистенция и вязкость определяется с помощью вискозиметра Суттарда, и оценивается диаметром расплыва гипсового теста, который находится в пределах 180±5мм

Сроки схватывания гипсового теста  определяются путем погружения игры прибора в гипсовое тесто каждые 30 секунд. (Прибор Вика)

Конец схватывания – момент взаимодействия гипса с водой, когда игла погружается в тесто не более, чем на 1мм.

По началу схватывания  тесто делится(ГОСТ):

• Быстротвердающие – 2 минуты
• Нормальнотвердеющие – не ранее 6 минут
• Медланнотвердающие – не ранее 20 минут

По концу схватывания:

• Не позднее 15мин
• Не позднее 30 мин
• Не нормируется

 

Гипсовый камень

Определяется марка гипса по прочности:

 

R_cж=P/F, [кгс/см], [МПа],  F=25см²

R_и=3Pl/2bh² [кгс/см], [МПа]

Обработка результатов:

Изгиб - среднее из двух наибольших результатов. Сжатие – среднее из 4-х значений, без наибольшего и наименьшего результата.