книги / Материаловедение. Технология композиционных материалов. Материаловедение

горении выделяют практически только два вида газов (СО - угарный газ, С 02 - углекислый газ), то ряд пластмасс выделяет фенол, оксиды серы, фосфора и другие вредные вещества. По­ этому горючие строительные материалы по токсичности10 про­ дуктов горения подразделяются на четыре группы:

-малоопасные (Т1);

-умеренно опасные (Т2);

-высоко опасные (ТЗ);

-чрезвычайно опасные (Т4).

Горючесть не следует отождествлять с огнестойкостью, так как огнестойкость11 - свойство конструкции. Оценивается огнестойкость конструкции по пределу огнестойкости.

Предел огнестойкости - это время в минутах (часах) с мо­ мента начала пожара до выхода конструкции из строя (до поте­ ри несущей способности, обрушения, достижения необратимых деформаций или до образования сквозных трещин) или прогре­ ва до повышения температуры на противоположной от огня по­ верхности порядка 220 °С, выше которой возможно самовос­ пламенение органических материалов. Например, предел огне­ стойкости элементов деревянного дома - 15-20 мин, стального каркаса « 30 мин.

Предел огнестойкости строительных конструкций12 уста­ навливается по времени наступления одного или нескольких по­ следовательно нормируемых для данной конструкции признаков предельных состояний:

-потеря несущей способности (К);

-потеря целостности (£);

-потеря теплоизолирующей способности (J).

10 Группы строительных материалов по токсичности продуктов горения устанавливаются по ГОСТ 12.1.044.

11 Основные огнезащитные свойства материалов, изделий, конст­ рукций, зданий и сооружений изложены в СНиП 21-01-97 «Пожарная безопасность зданий и сооружений».

12 Пределы огнестойкости строительных конструкций и их ус­ ловные обозначения устанавливаются по ГОСТ 30247.

По пожарной опасность*13 строительные конструкции под­ разделяются на четыре класса:

-непожароопасные (КО);

-мало пожароопасные (К1);

-умеренно пожароопасные (К2); - пожароопасные (КЗ).

Огнеупорность - свойство негорючего материала выдер­ живать длительное воздействие высокой температуры (от 1580 °С и выше), не размягчаясь и не деформируясь.

Материалы, работающие в области температур 15802000 °С и выше, называют огнеупорными. Жароупорные мате­ риалы предназначены для работы в диапазоне температур от 1350 до 1580 °С. Жаро- и огнеупорные материалы применяют для внутренней футеровки промышленных печей.

2.27.5. Акустические и электрофизические свойства

Звукопроводность - свойство материала проводить через свою толщу звук; она зависит от строения и массы материала. Тяжелые материалы (кирпич), а также пористые и волокнистые плохо проводят звук. Звукопроницаемость - отрицательное свойство, так как в большинстве случаев к строительным мате­ риалам предъявляются требования изоляции помещений от внешних шумов. Звукоизоляция - ослабление звука при его про­ никновении через ограждающие конструкции. Это свойство, об­ ратное звукопроницаемости.

Звукопоглощение - свойство материала поглощать и отра­ жать падающий на него звук. За единицу звукопоглощения при­ нимают поглощение звука одним квадратным метром открытого окна; при открытом окне звук поглощается полностью. Звукопо­ глощение всех строительных материалов меньше единицы. Зву­ копоглощение материала оценивается коэффициентом звукопо­ глощения, то есть отношением энергии, поглощенной мате­ риалом, к общему количеству падающей энергии в единицу времени.

13 Класс пожарной опасности строительных конструкций уста­ навливается по ГОСТ 30403.

Звукопоглощение зависит от пористости материала, его толщины, состояния поверхности, а также от частоты звукового тона, измеряемого количеством колебаний в секунду. Материа­ лы с гладкой поверхностью хорошо отражают падающий на них звук, поэтому в помещениях с гладкими стенами создается по­ стоянный шум. Материалы с развитой открытой пористостью хорошо поглощают и не отражают падающий на них звук. Из­ вестно, что ковры, дорожки, мягкая мебель заглушают звук. Специальная акустическая штукатурка с мелкими открытыми порами хорошо поглощает и заглушает звук. Те строительные материалы, которые плохо пропускают через себя звук, хорошо его поглощают и не отражают, являются акустическими мате­ риалами. Уменьшение шума в результате использования таких материалов сохраняет здоровье людей* создает для них опреде­ ленные удобства и способствует производительности труда.

Электропроводность - свойство материала проводить электрический ток. Электропроводными являются металлы, ма­ териалы во влажном состоянии (бетон, цементный камень, кир­ пич, древесина) и материалы в расплавленном состоянии и на стадии спекания.

Радиационная стойкость - свойство материала сохранять свою структуру и физико-механические характеристики после воздействия ионизирующих излучений. Радиация вокруг совре­ менных источников ионизирующих излучений по своему уров­ ню может быть столь высокой, что способна вызвать глубокие изменения структуры материала. Например, минералы кристал­ лической структуры становятся аморфными, что сопровождает­ ся объемными изменениями и возникновением внутренних на­ пряжений. Все это заканчивается разрушением материала и по­ терей его защитных свойств. Для защиты от радиоактивных из­ лучений применяют:

-особо тяжелые (р0 = 3,0...5,0 т/м3) материалы, погло­ щающие электромагнитные излучения;

-бетоны на гидратационных вяжущих, имеющие повы­ шенное содержание химически связанной воды, создающей хо­ рошую защиту от нейтронного потока.

2.2.2. Механические свойства

Строительные материалы в изделиях и конструкциях под­ вергаются различным внешним силам - нагрузкам (механиче­ ским, тепловым, климатическим, химическим), которые вызы­ вают в них деформации и внутренние напряжения. Нагрузки делятся на статические, действующие постоянно, и динамиче­ ские, которые прикладываются внезапно и вызываются силами инерции.

На статические нагрузки рассчитываются здания и соору­ жения промышленного и гражданского строительства. Это на­ грузки от оборудования, мебели, людей, самих конструкций и т.д. Ряд сооружений предназначен для восприятия не только статических, но и эксплуатационных динамических нагрузок: мосты, тоннели, дорожные и аэродромные покрытия, кузнечные и прессовые цеха, фортификационные и специальные объекты, строительные объекты в районах сейсмичности. Нагрузки преимущественно динамического характера образуются от ра­ ботающего технологического оборудования и транспорта, при­ родных катастроф (землетрясений, ураганов, наводнений, селе­ вых потоков, оползней и др.), а также от аварий на предприяти­ ях (взрывов, ударов).

2.2.2.1. Деформации и деформативные свойства

Деформативностью называют способность материала из­ менять свою форму и размеры под воздействием внешних на­ грузок или других факторов.

В процессе изготовления, твердения, эксплуатации строи­ тельных материалов под воздействием нагрузок в них происхо­ дят объемные изменения, возникают деформации. Условно де­ формации материала можно разделить на следующие виды:

- собственные деформации материала, вызванные испаре­ нием растворителя из вяжущего, физико-химическими и хими­ ческими процессами, протекающими в вяжущем при твердении

композита, увлажнением материала. Эти деформации соответст­ венно называютусадкой1415, контракцией5, набуханием;

-температурные деформации;

-деформации от воздействия кратковременных или дли­ тельных механических нагрузок.

Внешние силы (например, механические нагрузки), прило­ женные к телу, вызывают в нем изменение межатомных рас­ стояний, отчего происходит изменение размеров деформируе­ мого тела на абсолютную величину деформации Л/ в направле­ нии действия силы (при сжатии - укорочение, при растяжении - удлинение).

Относительная деформация е (в мм/м или в %) равна от­ ношению абсолютной деформации Ы к первоначальному ли­ нейному размеру тела /:

Под воздействием деформаций материал меняет свою фор­ му и размеры, а в теле материала возникают напряжения, вы­ зывающие растягивающие или сжимающие усилия (при собст­ венных или температурных деформациях); вызванные растяги­ вающими или сжимающими усилиями (при механической на­ грузке).

При одноосном растяжении (сжатии) напряжение ст опре­ деляется по формуле

где Р - действующая нагрузка; F - площадь первоначального поперечного сечения элемента.

Так как напряжения вызываются разными причинами, то различают временные напряжения, обусловленные действием

14 Деформации усадки вызываются испарением физически или физико-химически связанной влаги. Набухание - обратный деформа­ ционный процесс, связанный с увлажнением материала.

15 Деформации контракции вызваются изменением объема от­ дельных кристаллов при фазовых превращениях: твердении вяжущего, нагревании материала и т.д.

внешней нагрузки и исчезающие после ее снятия, и внутренние остаточные напряжения, возникающие и уравновешивающие­ ся в пределах тела без действия внешней нагрузки.

Внутренние остаточные напряжения возникают:

-в процессе усадки-набухания материала;

-в процессе контракционных деформаций, вызванных твердением вяжущих или быстрого нагрева или охлаждения ма­ териала. Их называют фазовыми или структурными;

-в процессе длительной механической нагрузки. Их связы­ вают с ползучестью.

Механические свойства материалов характеризуются диа­ граммой деформаций, построенной на основании результатов испытания материалов под нагрузкой на прессе в координатах «напряжение - относительная деформация (а - е)» (рис. 2.1 и 2.2).

Если материал при испытании на прессе не был разрушен, то после снятия нагрузки он может проявлять свойства упруго­ сти или пластичности.

Упругость - свойство материала изменять под влияние на­ грузки свою форму и восстанавливать ее после удаления этой нагрузки. Упругую деформацию называют обратимой или исче­ зающей.

Упругими материалами можно считать стекла и ряд горных пород (см. рис. 2.1) резину, различные герметизирующие и уп­ лотняющие прокладки, лакокрасочные пленки и др. материалы. На участке О-A диаграммы на рис. 2.1 деформация происходит вследствие удаления или сближения атомов, причем смещение атомов пропорционально деформации тела. Наибольшее напря­ жение, при котором действует лишь упругая деформация, назы­ вают пределом упругости (точка А диаграммы).

При напряжениях, больших чем предел прочности мате­ риала на сжатие или растяжение, в материале сначала появля­ ются микротрещины, а затем этот материал разрушается (на­ пример, участок диаграммы после точки А на рис. 2.1).

Упругая деформация эластомеров (каучуков) может пре­ вышать 100%. Для распрямления цепей молекул эластомера требуется небольшое напряжение. По мере распрямления цепей

напряжениях, больших 0,2 от предела прочности (см. рис. 2.2). У таких материалов модуль упругости определяют, проводя ка­ сательную к кривой О-A через начало координат. Этот началь­ ный модуль упругости имеет небольшое практическое значение. Поэтому у материалов с конгломератным строением модуль де­ формаций (модуль упругости) определяют при уровнях напря­ жения, достигающих 15, 25, 33 или 60% от разрушающей нагрузки.

Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах материала; под действием приложенной нагрузки происходит только незначительное от­ носительное смещение атомов. При растяжении монокристалла возрастает расстояние между атомами, а при его сжатии атомы сближаются.

При возрастании касательных напряжений выше опреде­ ленной величины деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая де­ формации 8y„. Часть же деформации, которую называют пла­ стической (б„л), остается (см. рис. 2.2, а). При пластической де­ формации необратимо изменяется структура материала, а сле­ довательно, и его свойства.

Пластическая деформация осуществляется скольжением и двойникованием кристаллов в материале (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Схемы упругой и пластической деформации металла под дей­ ствием напряжения сдвига т: а - первоначальный кристалл; б - упру­ гая деформация; в - увеличение упругой и появление пластической деформации, вызванной скольжением при нагружении больше предела упругости; г - напряжения, обусловливающие появление сдвига (после сдвига сохранилась остаточная деформация); д - образование двойника