книги / Материаловедение. Технология композиционных материалов. Материаловедение
.pdf(по Бринеллю) НВ = P/F, где F - площадь поверхности отпечат ка. От твердости материалов зависит их истираемость: чем вы ше твердость, тем меньше истираемость.
Истираемость - свойство материала уменьшаться в объе ме и массе под действием истирающих усилий. Истирае мость (И) оценивают потерей первоначальной массы образца материала, отнесенной к площади поверхности истирания, и вы числяют по формуле
И = (ти, - m 2)/F, (г/см2), |
(2.25) |
где т\ и W2масса образца до и после истирания. Сопротивление материала истиранию определяют, пользу
ясь стандартными методами: кругом истирания и абразивами (кварцевым песком и наждаком). Это свойство важно для экс плуатации дорог, полов, ступеней лестницы и т.п. Марка по ис тираемости материала И1 показывает потерю массы по табл, стандарта на данный продукт.
Износ - свойство материала сопротивляться одновремен ному воздействию истирания и ударов. Износ материала зависит от его структуры, состава, твердости, прочности, истираемости. Определяют износ на образцах материалов, которые испытыва ют во вращающемся барабане со стальными шарами или без них. Показателем износа служит потеря массы пробы материала в результате проведенного испытания (в % от первоначальной массы). Износ важен для материалов полов, ступеней лестниц, дорог, лакокрасочных покрытий.
2.2.3. Химические и физико-химические свойства
Для выбора оптимального способа переработки материалов в изделие, конструкцию, грамотного определения области при менения материалов в здании и сооружении необходимо знать
иучитывать их химические и физико-химические свойства.
2.2.3.1.Физико-химические свойства
Дисперсность {топкость помола) - характеристика разме ров твердых частиц и капель жидкости. Ряд строительных мате риалов: минеральные вяжущие вещества, пигменты, эмульсии,
шликеры находятся в дисперсном (тонкоизмельченном) состоя нии. Такое состояние характеризуется большой суммарной по верхностью частиц.
Тонкость помола (дисперсность) порошкообразных мате риалов определяется:
-по остатку на сите, просеиваемого материала (в %);
-по удельной поверхности S частиц материала (в м2/кг или см2/ г).
Сувеличением дисперсности материала возрастает их внутренняя энергия и химическая активность. Например, цемент рядового помола при 5 = 300 м2/кг химически связывает за двое суток твердения 10-13 % воды, а цемент тонкого помола при
5= 500 м2/кг - 16-20% воды; такой цемент быстрее твердеет
иобладает высокой прочностью, поэтому называется быстротвердеющим и высокомарочным.
Гидрофильность - свойство материала хорошо смачивать ся водой. Если капля воды растекается по поверхности материа ла, то есть вода смачивает материал, он является гидрофильным.
Гидрофильность характерна в основном для неорганиче ских материалов, имеющих полярное строение молекул: бетон
истроительный раствор на минеральных вяжущих, горные по роды, керамика, металлы. Гидрофильна также и древесина.
Гидрофобность - свойство материала не смачиваться во дой. Вода на поверхности гидрофобных материалов не растека ется, а собирается в виде капель.
Гидрофобность характерна для большинства органических материалов, имеющих неполярное строение молекул. Примера ми гидрофобных материалов и веществ являются битумы, по лимеры, пластмассы, масла, парафины, воск.
Для придания гидрофобности гидрофильным материалам их поверхность обрабатывают гидрофобными веществами. Бу мага, картон - гидрофильные материалы, но после их пропитки или обработки их поверхности полимерами или маслами они становятся гидрофобными, вода их не смачивает, капли воды скатываются с их поверхности.
2.2.3.2. Химические свойства
Химические свойства материалов характеризуются спо собностью материала к химическим превращениям под влияни ем веществ, с которыми данный материал находится в сопри косновении, или при изменении физических условий состояния материала (например, температуры, давления, солнечной радиа ции и т.д.). Химические превращения в строительных материа лах протекают при технологических процессах производства материалов, изделий, конструкций, строительстве и эксплуата ции построенного сооружения.
Химическая стойкость - это свойство материалов проти востоять разрушающему действию щелочей, кислот, растворен ных в воде солей и газов и т.д.
Химическая стойкость композитов оценивается коэффици ентом химической стойкости Кхс, который устанавливается стандартами для различных материалов в зависимости от вида связующего, заполнителя и эксплуатационной среды. Например, у полимербетонов он находится в пределах от 0,3 до 0,8.
Коэффициент химической стойкости определяют по изме нению прочности образцов после каждого срока испытания по
формуле |
|
К, е = ^ . |
(2-26) |
где R0 - предел прочности серии образцов, не погружавшихся в коррозионную среду; Rx c - предел прочности серии образцов
после выдержки в среде в течение времени, сут.
Кроме прочности при оценке химической стойкости компо зитов определяют изменение массы образцов Ат после каждого срока испытания по формуле
(2.27)
т
где т - масса серии образцов до погружения в коррозионную среду, г; т\ - масса серии образцов после выдержки в этой среде, г.
Уменьшение массы образцов после выдержки в среде не должно превышать 1 %. При уменьшении массы образцов более чем на 1 % состав бетона относят к нестойким в данной среде.
Коррозионная стойкость - это свойство материала сопро тивляться коррозионному (химическому, биохимическому, элек трохимическому и физическому) воздействию среды.
Большинство строительных материалов не коррозионностойки. Распространенной и благоприятной средой развития химической коррозии является вода (пресная и морская), произ водственные и грунтовые воды. Агрессивность воды зависит от степени ее минерализации, жесткости, щелочности или кислот ности. На развитие коррозионных процессов влияют растворен ные в воде соли (сульфаты, хлориды и т.п.) и газы. Химически агрессивной средой является также воздух, содержащий пары оксидов азота, хлора, сероводорода и т.д.
Особым видом коррозии является биокоррозш разрушение материалов под действием живых организмов: грибов, насеко мых, растений, бактерий и микроорганизмов.
К коррозии относят также «старение» пластмасс - изме нение их химического состава и структуры под воздействием ультрафиолетовых лучей солнца и искусственных источников света, кислорода воздуха и повышенных температур.
Так, почти все композиты на основе цементов плохо сопро тивляются действию кислот; битумы сравнительно быстро раз рушаются под действием концентрированных растворов щело чей; древесина не стойка к действию тех и других. Лучше со противляются действию кислот и щелочей некоторые виды природных каменных материалов (диабаз, андезит, базальт), плотная керамика, также большинство материалов из пластмасс.
Продлить сроки эксплуатации различных материалов до их морального износа - основная цель решения многовековой про блемы коррозии материалов. До настоящего времени до сих пор она не решена в мировом масштабе.
Трудность предотвращения коррозии заключается в том, что разрушение материалов под влиянием факторов эксплуата ционной среды - естественный термодинамически выгодный процесс, направленный на сохранение равновесия в природе.
Нормативная база всех передовых стран диктует проектан там и производственникам первичную защиту в коррозионной среде осуществлять за счет грамотного подбора химического состава и структуры самого материала изделий и конструкций, а вторичную защиту - за счет лакокрасочных и гидроизоляци онных покрытий материала в изделиях и конструкциях.
О развитии коррозионных процессов при эксплуатации ма териала можно судить,
-выполняя непосредственные измерения коррозионных эффектов (глубины, площади повреждения, массы продуктов коррозии и т.п.);
-фиксируя изменения в результате коррозии некоторых характеристик материала (механической прочности, электро проводности и т.п.);
-осуществляя дистанционно периодические проверки экс плуатационных факторов (температурно-влажностного режима, концентрации загрязнений в воздухе и т.п.) и работоспособно сти узлов, изделий и конструкций.
При исследовании коррозии условия эксплуатации можно моделировать на образцах материала, контролируя динамику изменения основных показателей качества этого материала.
2.2.4. Надежность и долговечность
Показатели долговечности и надежности материалов, из делий, конструкций, зданий и сооружений напрямую связаны с проблемой сохранности основных фондов страны.
Надежность19 - свойство объекта (материала, элемента, изделия, конструкции, здания и сооружения) сохранять во вре мени в установленных пределах значение всех параметров, ха рактеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического об служивания, хранения и транспортирования (рис. 2.6).
Надежность является комплексным свойством, которое может состоять из сочетаний следующих свойств: долговечно-
19 По ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения.
ста, безотказности, ремонтопригодности и сохраняемости. На пример, для неремонтируемых объектов основным свойством может быть безотказность. Для ремонтируемых.объектов одним из важнейших свойств, составляющих понятие надежности, мо жет быть ремонтопригодность.
Рис. 2.6. Схема «Распределение понятия “надежность”»
Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение заданного времени или наработки.
Ремонтопригодность - свойство объекта, характеризую щее его способность к восстановлению работоспособного со стояния путем технического обслуживания и ремонта.
Для объектов, которые являются потенциальным источни ком опасности, важнейшими являются безопасность и живу честь. Безопасность - свойство объекта при изготовлении и эксплуатации и в случае нарушения работоспособного состоя ния не создавать угрозу для жизни и здоровья людей, а также для окружающей среды. Хотя безопасность не входит в общее понятие надежности, однако при определенных условиях тесно
связана с этим понятием, например, если отказы в работе конст рукции, здания, сооружения могут привести к условиям, вред ным для людей и окружающей среды.
Долговечность ~ свойство объекта (материала, изделия, конструкции) непрерывно сохранять работоспособное состоя ние до предельного состояния с необходимыми перерывами на ремонт. Предельное состояние определяется разрушением мате риала, изделия, конструкции, требованиями безопасности или экономическими соображениями.
Долговечность строительных изделий и конструкций, зда ний и сооружений измеряют обычно сроком службы без потери эксплуатационных качеств в конкретных климатических усло виях и режиме эксплуатации. Например, для железобетонных конструкций нормами предусмотрены три степени долговечно сти: I - соответствует сроку службы не менее 100 лет, II - 50 лет, III - 20 лет.
Долговечность материалов в СНиПах, ГОСТах, ТУ, рабо чих чертежах чаще всего задают в показателях его структуры, вида вяэ/сущего. Например, если материал в процессе эксплуа тации должен работать во влажных условиях с замораживанием и оттаиванием конструкции, то показателем долговечности материала будет марка по морозостойкости F. Для коррозиионных условий эксплуатации долговечность материала в ра бочем проекте зададут видом вяжущего, пористостью и мар кой по водонепроницаемости W. Для материалов дорожной одежды долговечность зададут показателями F, W и истирае мости И.
Долговечность материалов, изделий, конструкций можно увеличивать, модифицируя материалы, применяя различные конструктивные решения, различные виды защиты: конструк тивную, химическую и т.д.
2.2.5. Технологические свойства смесей
Строительные бетонные и растворные смеси, мастики, пас ты, шликера, цементное тесто и т.д., то есть свободнодисперсные материалы, в отличие от жидкостей, при небольших на грузках ведут себя как твердые тела. Когда нагрузка достигает
определенных напряжений, называемых предельным напряясением сдвига, характеризующим структурную прочность, мате риал начинает течь, как жидкость. Это происходит в результате нарушения внутренних связей между частицами материала, то есть когда разрушается его структура.
Когда свободнодисперсный материал (пластично-вязкий) начинает течь, напряжения в нем в основном зависят от скоро сти деформаций. Коэффициент пропорциональности, связы вающий напряжение и скорость деформации материала, назы вают вязкостью Т] (Па-с). После снижения нагрузки пластично вязкие смеси со временем восстанавливают разрушенную меха ническую структуру. В этом основа тиксотропии - способности пластично-вязких материалов при многократных сотрясениях терять структурную прочность и превращаться в вязкую жид кость. Этот эффект тиксотропии используют при транспортиро вании и виброуплотнении бетонных и растворных смесей, при нанесении мастичных и красочных составов кистью и шпателем. Мерой тиксотропии свободнодисперсных систем при их пере возке и формовке в изделие, конструкцию, покрытие является ряд показателей удобоукладываемости смеси.
Удобоукладываемость (или формуемостъ) смеси - спо собность смеси растекаться и принимать заданную форму, со храняя при этом монолитность и однородность.
Удобоукладываемость разных по степени дисперсности ма териалов оценивают следующими показателями:
-вязкость шликеров, красок. Вязкость определяется вре менем истечения жидкого материала через капилляр, трубку или отверстие определенной формы и размера (рис. 2.7, а);
-консистенция паст, теста. Консистенцию определяют по величине расплыва теста на приборе Суттарда или глубине по гружения пестика в тесто на приборе ВИК (см. рис. 2.7, б);
-подвижность бетонной или растворной смеси, то есть способность деформироваться (течь, уплотняться) без разрыва сплошности под действием собственной массы или небольшой принудительной нагрузки (вибрации). Определяют подвижность смеси с помощью стандартного конуса или конуса СтройЦНИИЛа. Подвижность бетонной смеси П характеризуется ве личиной осадки стандартного конуса ОК, измеряемой в санти
метрах. Подвижность растворной смеси Пк характеризуется ве личиной погружения конуса СтройЦНИИЛа (в см), (см. рис. 2.7
и2.8).
-жесткость бетонной смеси Ж характеризуется временем вибрации, измеряемым в секундах, необходимым для выравни вания и уплотнения конуса бетонной смеси в приборе с целью определения ее жесткости. Жесткость растворной смеси харак теризуется величиной расплыва конуса (в см) на встряхиваю щем столике (см. рис. 2.7, в).
Рис. 2.7. Схемы приборов для определения характеристик вязкости, консистенции, подвижности и жесткости растворов: а - по измерению скорости истечения через отверстие; б - по измерению глубины про никания конуса; в - по расплыву конуса на встряхивающем столике
а |
б |
в |
Рис. 2.8. Определение подвижности бетонной смеси при помощи кону са: а - общий вид конуса с уплотненной в нем бетонной смесью; б - жесткая смесь; в - малоподвижная смесь; г - подвижная смесь; д- ли тая смесь
Водопотребность смеси измеряется массой воды, идущей на единицу массы сухих компонентов смеси (вяжущего, запол нителей, наполнителей) при заданной удобоукладываемости смеси.
Водоотделение - это свойство смеси отделять из своего объема воду при хранении, транспортировании или уплотнении смеси. Водоотделение может быть:
-положительным - если водоотделение происходит при формовке изделий и конструкций (например, при центрифуги ровании труб, асбестобетонных изделий);
-отрицательным - если водоотделение происходит при хранении, перевозке, твердении.
Воздухововлечение - это способность смеси вовлекать в свою массу воздух при перемешивании или уплотнении смеси. Воздухововлечение также может быть положительным и отри цательным свойством смеси. Часто технологи специально рас считывают и создают воздухововлечение с целью снижения средней плотности или увеличения морозостойкости материала.
Расслаиваемостъ - это отрицательное свойство смеси, ко торое обусловлено нерационально подобранным составом ком позиционной смеси.
Вопросы для самоконтроля
1.Чем отличается свойство от показателя качества мате риала? В каких документах задаются показатели качества мате риалов?
2.Какой физический смысл показателя плотности мате риала? Что он показывает?
3.В чем отличие средней плотности от истинной плотно сти и насыпной плотности?
4.Что называется пористостью и пустотностью мате риалов?
5.Какая пористость снижает морозо- и коррозиестойкость материала, но повышает его звукоизолирующую способность?
6.Чем отличается гигроскопичность от влагоотдачи мате риалов?