книги / Материаловедение. Технология композиционных материалов. Материаловедение

(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

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

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

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?