Некоторые вопросы по курсу строительного материаловедения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Некоторые вопросы по курсу строительного материаловедения

Вариант №7

1. Механические свойства строительных материалов: прочность, упругость, деформативность. Методы определения прочности при изгибе различных строительных материалов (цемента, бетона, металлов и т. д.).

Механические свойства (деформативность) характеризуются способностью материала сопротивляться всем видам внешних воздействий с приложением силы. По совокупности признаков различают прочность материала при сжатии, изгибе, ударе, кручении и т. д., твердость, упругость, истираемость.

1. Прочность.

Прочность - свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами (неравномерным нагреванием, стесненной усадкой и т. д.).

Прочность материала оценивают пределом прочности (временным сопротивлением) R, определенном при данном виде деформации. Пределом прочности называют напряжение, соответствующее нагрузке, вызывающей разрушение образца материала:

R = F / S

F - разрушающая сила, Н;

S - площадь поперечного сечения образца, м².

В зависимости от прочности строительные материалы разделяются на марки. Марка материала по прочности является важнейшим показателем его качества. В нормативных документах марка указывается в Па (Н/м²). Например, марка портландцемента может быть: 400, 500,550, 600 - чем выше марка, тем выше качество материала. Единая шкала марок охватывает все строительные материалы.

Для хрупких материалов ( бетонов, строительных растворов, кирпича, природного камня и др.) основной характеристикой прочности является предел прочности при сжатии. Поскольку строительные материалы неоднородны по своей структуре, то предел прочности определяют как средний результат испытания серии образцов ( 3). Существенно влияют на результаты таких испытаний форма и размеры образцов, а также скорость нагружения образца, его структура и плотность.

Предел прочности при осевом сжатии R_сж, МПа, равен

R_сж = F_разр / S

F_разр - разрушающая сила.

Предел прочности при осевом растяжении R_р, МПа используется в качестве прочностной характеристики стали, бетона, волокнистых материалов.

В зависимости от от соотношения R_р и R_сж материалы можно условно разделить на три группы:

R_р > R_сж - волокнистые (древисина и др.);

R_р R_сж - металлы (сталь);

R_сж > R_р - хрупкие ( природные камни, кирпич, бетон).

Предел прочности при изгибе R_р.и.,МПа определяют путем испытания образца материала в виде призм (балочек) на двух опорах. Их нагружают одной или двумя сосредоточенными силами до разрушения. Предел прочности условно вычисляют по формуле:

R_р.и. = М / W

М - изгибающий момент;

W - момент сопротивления.

В более развернутом виде можно записать:

при одном сосредоточенном грузе: R_р.и. = 3FL/ 2bh²

при двух равнх грузах, расположенных симметрично оси балки:

R + 3F(L - a) /bh²

F - разрушающая нагрузка, Н;

L - пролет между опорами,м;

а - расстояние между грузами, м;

b и h - ширина и высота поперечного сечения, м.

В таблице 1 приведены схемы методов испытаний на изгиб и расчетные формулы. Эти формулы, строго говоря, справедливы в пределах упругой работы материала и при одинаковом его сопротивлении сжатию и растяжению. Поэтому по формулам вычисляют условное значение предела прочности при изгибе, являющееся стандартной прочностной характеристикой кирпича, строительного гипса, цемента, дорожного бетона.

Динамической (или ударной) прочностью называют свойство материала сопротивляться разрушению при ударных нагрузках. Она характеризуется количеством работы, затраченной на разрушение стандартного образца, отнесенной к единице объема (Дж / м³) или площади поперечного сечения (Дж / м²). Сопротивление удару важно для материалов, используемых при устройстве фундаментов машин, полов промышленных зданий, дорожных покрытий и т. п.

Коэффициент конструктивного качества (К_кк) материала равен отношению показателя прочности R (МПа) к относительной плотности d (безразмерная величина): К_кк = R / d. Лучшие конструкционные материалы имеют высокую прочность при малой собственной плотности.

Теоретическая прочность однородного материала характеризуется напряжением, необходимым для разделения двух примыкающих один к другому слоев атомов. Теоретическую прочность у_теор получают из условия, что в момент разрушения вся энергия упругой деформации, накопленная в объеме между двумя слоями атомов, переходит в поверхностную энергию двух вновь образовавшихся при разрушении поверхностей, Справедливо уравнение Орована - Келли:

у_теор =

Е - модуль Юнга;

Э - поверхностная энергия твердого тела на 2 м²;

а - межатомное расстояние ( в среднем 2 10^-10 м ).

Согласно приведенному выражению, прочность твердого тела должна находиться в пределах значений от Е/5 до Е/10. Теоретическая прочность стекла при комнатной температуре 14000 МПа, прочность на растяжение тонких стекольных волокон толщиной 3 - 5 мкм - 3500 - 5000 МПа, а обыкновенного стекла только 70 - 150 МПа. Следовательно, используется сравнительно небольшая доля потенциальной прочности материала: прочность понижается благодаря наличию пор, трещин и дефектов структуры материала.

2. Деформативные свойства

Основными деформативными свойствами строительного материала являются: упругость, пластичность, хрупкость, модуль Юнга (модуль упругости), коэффициент Пуассона, модуль сдвига, объемный модуль упругости (модуль всестороннего сжатия), предельные деформации (растяжения, сжатия), ползучесть. Другие характеристики могут определяться для специальных условий нагрузки.

Упругостью твердого тела называют его свойство деформироваться под влиянием нагрузки и самопроизвольно восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешней силы. Упругая деформация полностью исчезает после прекращения действия внешней силы, поэтому ее принято называть обратимой.

Пластичностью твердого тела, называют его свойство изменять форму и размеры под действием внешних сил, не разрушаясь, причем после прекращения действий силы тело не может самопроизвольно восстановить свои размеры и форму, и в теле остается некоторая остаточная деформация, называемая пластической деформацией. Пластическую, или остаточную деформацию называют необратимой.

Хрупкость - свойство твердых тел разрушаться при механических воздействиях без значительной пластической деформации (свойство, противоположное пластичности.

Модуль упругости Е (модуль Юнга) связывает упругую деформацию е и одноосное напряжение у соотношением, выражающем закон Гука:

е = у / Е,

Модуль упругости представляет собой меру жесткости материала. Механические свойства материала характеризуются диаграммой деформации, построенной в координатах у(е)

Модуль упругости определяется тангенсом угла наклона производной к оси деформации. Диаграммы деформации позволяют определить модуль упругости и установить его изменение в зависимости от уровня напряженного состояния.

Модуль Юнга Е связан с другими упругими его характеристиками посредством коэффициента Пуассона. Одноосное растяжение у_z вызовет удлинение по этой оси +е_z и сжатие по боковым осям -е_x и -е_y, которые у изотропных материалов равны между собой.

Коэффициент Пуассона, или коэффициент поперечного сжатия, м равен отношению:

м = -е_x / е_y/

Если бы объем материала при одноосном упругом нагружении оставался постоянным, то наибольшее теоретическое значение м = 0,5. Значения коэффициента Пуассона реальных материалов сильно отличаются от теоретических значений. Так для бетона 0,17 - 0,2; полиэтилена 0,4.

Объемный модуль упругости, или модуль всестороннего сжатия (растяжения), К связан с Е следующим соотношением:

К = Е / 3(1 - 2м).

Модуль сдвига связан с модулем Юнга:

G = Е / 2(1 + м).

Поскольку м = 0,2 - 0,3 , G составляет 35 - 42№Е. Можно получить:

G = 3К(1 - 2м) / 2(1 + м).

Экспериментально определив модуль Юнга и коэффициент Пуассона, можно вычислить модуль сдвига и объемный модуль упругости, приведенными формулами.

2. Песок для строительных работ: свойства, технические требования, методы контроля качества

Природный песок представляет собой образовавшуюся в результате выветривания горных пород рыхлую смесь зерен (крупностью 0,14 - 5 мм, существуют и другие классификации: 0,1 - 1мм. И 0,1 - 2мм) ) различных материалов, входящих в состав изверженных (реже осадочных) горных пород.

Чаще всего встречаются кварцевые пески с примесью полевого шпата, листочков слюды и зерен других минералов; реже - полевошпатовые, известняковые и другие пески. Кроме природных песков применяют искусственные, получаемые при дроблении или гранулировании металлургических и топливных шлаков или специально приготовленные материалы - керамзит, аглопорит и др.

По условиям залегания различают пески: речные, морские и горные (овражные). В большинстве случаев зерна речного и морского песка имеют округлую форму, а зерна горных песков - остроугольные. Речные и морские пески обычно более чистые - содержат меньше глинистых и органических примесей, чем овражные. В морском песке часто встречаются примеси известняковых зерен и обломков раковин, которые легко разрушаются, и в дальнейшем их применении могут существенно понизить прочность бетона.

Пески служат компонентом сырьевой смеси в производстве стекла (кварцевые пески), керамических изделий, бетона и др.

Для изготовления бетонов желательно применять пески с остроугольными зернами, т.к. они лучше сцепляются с цементным камнем, придавая бетону большую прочность. Одновременно этот песок должен быть как можно чище. Обычно предпочитают речные пески.

К основным характеристикам песков относятся: зернистость или крупность (таблица 2); плотность в рыхлом (стандартном) состоянии (не ниже 1400 - 1550 кг/м³) ; пустотность; содержание различных примесей (глинистые, илистые, пылевидные, известняковые, органические - гумусовые, кислотные, щелочные).

Для обычного бетона требования к природному песку следующие:

· содержание в песке зерен, проходящих через сито 0,14мм, не должно превышать 10%, а содержание глинистых, илистых и пылевидных примесей не должно превышать 3% по массе. Наиболее вредна примесь глины, обволакивающей зерна песка, т.к. она препятствует сцеплению с цементным камнем. От глины песок очищают промывкой.

· органические примеси (гумусовые и др.)допускают только в небольшом количестве, т.к. они, в особенности органические кислоты, понижают прочность и даже способны разрушить цемент.

· в зависимости от крупности пески, пригодные для бетона разделяются следующим образом (таблица 2):

Группа песка	Модуль крупности, Мкр	Полный остаток на сите с отверстиями 0,63мм, %
Крупный	3,5 - 2,5	50 - 75
Средний	2,5 - 2	35 - 50
Мелкий	2 - 1,5	20 - 35

если песок крупный, то это еще не значит, что он пригоден для бетона. Крупный песок может иметь большой объем пустот, который придется заполнять цементным тестом. Поэтому полная характеристика песка может быть дана только с учетом его пустотности. Для бетона наиболее пригоден в основном крупный песок, содержащий достаточное количество средних и мелких зерен.

Методы контроля качества:

1. Колориметрический определение по цвету):

Для определения органических примесей песок обрабатывают 3% - ным раствором едкого натра (NаОН), при соотношении раствора к песку 1:1. Полученный расвор с песком отстаивается в течение 1 суток. Требуется, чтобы после обработки песка цвет его был не темнее светло-желтого (в лабораториях изготовляют для сравнения цветной эталон). Если песок содержит много органических примесей, то они вступают в реакцию с NаОН и образуют соли, окрашивающие раствор в различные цвета - от желтого до красного и коричневого в зависимости от содержания органических веществ. Для бетонов, применяемых в наиболее ответственных сооружениях, следует использовать пески, которые при такой обработке не дают окрашивания. При светло-желтой окраске раствора песок пригоден только для неответственных конструкций, при темной окраске (темно-желтой, красной или коричневой) он должен промываться.

2. Просев песка через стандартный набор сит.

Сита имеют отверстия в свету: 5; 2,5; 0,63; 0,3 и 0,14 мм. Наличие в песке зерен крупнее 10 мм не допускается, зерен размером 5 - 10 мм должно быть не более 5% по массе. Для просеивания берут среднюю пробу сухого песка массой 1 кг. Просеивание начинают на самом крупном сите. На каждом сите получается остаток, который выражают в %, эти остатки называют частными. Частные остатки на ситах характеризуют распределение зерен песка по степени крупности - это зерновой (гранулометрический) состав песка. Кроме того определяют полные остатки на ситах, складывая частный остаток на каждом сите с суммой остатков на предыдущих ситах.

Для условного выражения крупности песка применяют модуль крупности, обозначающий сумму полных остатков (в процентах на ситах стандартного набора), деленную на 100.

3. Определение плотности песка

Плотность песка зависит от его истинной плотности, пустотности и влажности и определяется в сухом рыхлом (стандартном) состоянии, для чего песок насыпают совком с высоты 5 см в пятилитровый цилиндрический сосуд, без встряхивания. Песок, предназначенный для бетона марок М 200 и выше или для бетонов в конструкциях, подвергающихся замерзанию в насыщенном водой состоянии, должен иметь плотность в рыхлом сухом состоянии не ниже 1550 кг/м³, в остальных случаях - не ниже 1400 кг/м³. При встряхивании песок уплотняется, и плотность его может увеличиться до 1600 - 1700 кг/м³.

3. Шлакопортландцемент: исходное сырье, состав, строительно-технические свойства, область рационального применения в строительстве

Шлакопортландцемент - это портландцемент с минеральными добавками. Шлакопортландцемент - гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе. Он получается путем при совместном измельчении портландцементного клинкера, доменного гранулированного шлака и гипса или путем тщательного смешения раздельно измельченных тех же компонентов. Количество доменного шлака в нем должно быть не менее 24% и не более 60% от массы готового продукта. Допускается замена на 10% шлака трепелом или другой активной минеральной добавки.

Быстротвердеющий шлакопортландцемент М400 характеризуется более интенсивным нарастанием прочности в начальный период. Для его получения применяют клинкер быстротвердеющего цемента доменные шлаки высокой активности.

Состав:

А) Портландцементный клинкер:

Его химический состав характеризуется содержанием оксидов, %:

СаО 63 - 66%; SiO₂ 21 - 24%; Al₂O₃ 4 - 8%; Fe₂O₃ 2 - 4%; MgO 0.5 - 5%; SO₃ 0.3 - 1%; Na₂O + K₂O 0.4 - 1%; TiO₂ + Cr₂O₃ 0.2 - 0.5; P₂O₅ 0.1-0.3%.

Б) Доменные шлаки.

По своему химическому составу напоминают цементный клинкер. В них преобладают оксиды, %:

СаО 30-50%; SiO₂ 28-30%; Al₂O₃ 8-24%; MnO 1-3%; MgO 1-18%; их общее содержание составляет 90-95%.

Гидравлическая активность шлаков характеризуется модулями основности (М₀) и модулем активности (М_а).

Модуль основности - отношение содержания в шлаке основных оксидов к сумме килотных, %:

М₀ =

Поэтому различают основные шлаки М₀ 1 и кислотные М₀ 1.

Гидравлическая активность доменных шлаков возрастает при увеличении модуля активности:

М_а =

Шлак, применяемый в качестве добавки к цементу, обязательно подвергается быстрому охлаждению водой или паром. Эта операция называется грануляцией, т.к. в процессе быстрого охлаждения шлаковый расплав распадается на отдельные зерна (гранулы), шлак переходит в стеклообразное и тонкозернистое состояние. Поэтому гранулированный шлак взаимодействует с Са(ОН)₂ и образует низкоосновные гидросиликаты CaO SiO₂ 2.5H₂O и гидроалюминаты CaO Al₂O₃ 8H₂O кальция. Процесс твердения значительно ускоряется при такой тепловлажной обработке.

В) Гипс

Состоит преимущественно из минерала гипса CaSO₄ 2H₂O.

Строительно-технические свойства.

Незначительное содержание в цементном камне Са(ОН)₂ повышает стойкость шлакопортлендцемента в мягких сульфатных водах по сравнению с портландцементом. Тепловыделение при твердении шлакопортлендцемента в 2-2,5 раза меньше, чем портландцемента. Шлакопортлендцемент умеренной водопотребностью, высокой воздухостойкостью и морозостойкостью. Стоимость его на 15-20% ниже стоимости портландцемента. Однако ему присущ недостаток - он медленно набирает прочность в первое время твердения, в особенности при пониженных температурах. Этот недостаток устраняется в быстротвердеющем шлакопортлендцементе. Такой цемент марки 400 за трое суток твердения должен приобрести предел прочности при сжатии не менее 20 МПа, а при изгибе - не менее 3,5 МПа.

Область применения.

Применяют шлакопортлендцемент в гидротехнических сооружениях, а также в конструкциях, находящихся в условиях влажной среды. Не следует использовать этот цемент в конструкциях, подвергающихся частому замораживанию и оттаиванию, увлажнению и высыханию.

Быстротвердеющий шлакопортлендцемент эффективно применять в производстве железобетонных изделий, подвергающихся тепловлажностной обработке.

4. Известково-кремнеземистое вяжущее. Исходное сырье, технология производства, твердение, свойства, область применения

Известково-кремнеземистое вяжущее относится к силикатным автоклавным материалам, т. е. это бесцементный материал тонкого помола, приготовленный из гомогенной смеси воздушной извести, кварцевого песка и воды, которые образуют в процессе автоклавной обработки гидросиликатов:

Ca(OH)₂ + SiO₂ + mH₂O = CaO SiO₂ nH₂O

В условиях автоклавной обработки могут получаться различные гидросиликаты кальция в зависимости от состава исходной смеси: тоберморит 5CaO 6SiO₂ 5H₂O, слабо закристаллизованные гидросиликаты (1.5-2)CaO SiO₂ H₂O - CSH(l l). В высокоизвестковых смесях синтезируется гиллебрандит 2CaO SiO₂ H₂O.

Известково-кремнеземистое вяжущее относится к группе вяжущих материалов автоклавного твердения, имеющих низкую активность в обычных условиях, но при автоклавном синтезе образующих прочный искусственный камень. Поэтому, известково-кремнеземное вяжущее является исходным сырьевым компонентом производства автоклавных строительных материалов - силикатного кирпича и силикатных бетонов.

Автоклавная технология

Технологический процесс производства автоклавных изделий включает добычу и подачу кварцевого песка, дробление и помол извести, смешивание песка с молотой известью и гашение полученной смеси, прессование изделий и запарку их в автоклавах. В зависимости от способа гашения извести различают силосный и барабанный способы производства. При барабанном способе смесь для гашения поступает во вращающийся барабан.

Приготовленную сырьевую смесь влажностью 6-7% прессуют при удельном давлении, достигающим 37МПа.

Завершающей операцией производства является автоклавная обработка.

Автоклав представляет собой горизонтально расположенный стальной цилиндр с герметически закрывающимися с торцов крышками. Диаметр автоклава - 2,6 - 3,6 м, длина - 21 - 30 м. Автоклав снабжен манометром, показывающим давление пара, и предохранительным клапаном, автоматически открывающимся при повышении давления выше предельного. В нижней части автоклава уложены рельсы, по которым передвигаются загруженные в автоклав вагонетки с изделиями. Автоклав оборудован устройствами для автоматического контроля и управления режимом автоклавной обработки. Для уменьшения теплопотерь автоклав покрыт слоем теплоизоляции.

После загрузки автоклав закрывают и в него постепенно впускают насыщенный пар. Высокая температура при наличии воды в капельно-жидком состоянии создает благоприятные условия для химического взаимодействия между гидратом оксида кальция и кремнеземом.

Автоклавная обработка состоит из шести этапов:

1 -й э т а п - от начала впуска пара до установления в автоклаве температуры 100⁰С. На этой стадии нагревания наблюдается большой температурный перепад между поверхностью и серединой изделия, достигающий 30-50⁰С и могущий вызвать значительные температурные напряжения и появление трещин.

2 - й э т а п - от начала подъема давления пара до достижения максимального давления в автоклаве - сопровождается повышением температуры от 100⁰С до максимальной. Пар под давлением проникает в поры изделия и конденсируется в них, изделие прогревается во всем объеме, температурный перепад сокращается до 3-5^0С.

3 - й э т а п - выдержка изделий при постоянных давлении и температуре; чем выше давление и температура, тем короче продолжительность автоклавизации. Иногда эта стадия может отсутствовать («пиковый режим»).

4 - э т а п - начинается с момента снижения давления пара и температуры, которое необходимо проводить постепенно. На этом этапе внутренние напряжения в изделиях возникают вследствие разности температуры и давления в материале и в автоклаве.

5 - й э т а п - остывание от 100 до 18-20⁰С.

6 - й э т а п - вакуумирование (может добавляться). При вакуумировании давление водяного пара внутри изделий примерно на 0,02 МПа выше, чем в автоклаве, поэтому происходит подсушка изделии и более быстрое их остывание.

Прочность автоклавных материалов (твердение) формируется в результате прхождения двух процессов:

1) Структурообразования, обусловленного синтезом гидросиликатов кальция;

2) Деструктивного, обусловленного внутренними напряжениями.

Для снижения внутренних напряжений, обработку проводят по определенному режиму, включающему постепенный подъем давления пара в течение 1,5-2 ч, изотермическую выдержку изделий в автоклаве при температуре 175-200⁰С и давлении 0,8-1,3 МПа в течение 4-8 ч и снижение давления пара в течение 2-4 ч. После автоклавной обработки прдолжительностью 8-14 ч получают силикатные бетоны и силикатный кирпич.

Интенсификация твердения и улучшения основных свойств изделий достигаются применением высокодисперсных сырьевых материалов. При изготовлении высокопрочных известково-кремнеземных изделий негашеную известь размалывают с песком до удельной поверхности 3000-5000 см²/г.

Прочность известково-кремнеземистого вяжущего зависит от активности извести, соотношения CaO/SiO₂ , тонкости измельчения песка и параметров автоклавной обработки (температуры и давления насыщенного пара, длительности автоклавного твердения). Оптимальным будет такое соотношение СаО/SiO₂ и такая тонкость помола песка, при которых вся СаО будет связана в низкоосновные гидросиликаты кальция.

5.Рыхлые теплоизоляционные материалы: минеральная вата, стекловата, вспученный перлтит и вермикулит, измельченные диатомит и трепал, пористые рыхлые горные породы. Свойства и применение в строительстве

Неорганические рыхлые материалы изготовляют для мастичной теплоизоляции. Их делают из смеси волокнистых материалов (минерального волокна, асбеста) с неорганическими вяжущими, затворяемыми водой. Их применяют для изоляции промышленного оборудования и трубопроводов с учетом температуры у границ теплоизоляционного слоя.

Минеральная вата.

Представляет собой теплоизоляционный материал, получаемый из расплава горных пород или металлургических шлаков и состоящий из стекловидных волокон и различных неволокнистых включений в виде капель силикатного расплава и микроскопических обломков волокон. Длина волокон минеральной ваты в зависимости от способа производства бывает от 2 до 60 мм, в массе должно содержаться до 80-90% тонкого волокна диаметром менее 7 мкм, содержание волокон диаметром свыше 15 мкм допускается не более 7%, теплопроводность - 0,042 - 0,046 Вт/м; температуроустойчивость - не менее 600⁰С. В зависимости от плотности минеральную вату выпускают трех марок: 75, 100, 125.

Широкое применение минеральной ваты среди теплоизоляционных материалов обусловлено неограниченностью сырьевых запасов, простотой производства, высокой морозостойкостью, малой гигроскопичностью и относительно небольшой стоимостью; ее можно применять для изготовления теплоизоляционных изделий и теплоизоляции при температуре изолируемых поверхностей от -200 до+600⁰С. Обычно при строительстве в целях теплоизоляции ее перерабатывают ее в минераловатные изделия: маты, полужесткие и жесткие плиты, скорлупы, сегменты, цилиндры и др.

Теплоизоляционные маты применяют для теплоизоляции строительных конструкций, промышленного оборудования и трубопроводов теплосетей.

Теплоизоляционные полужесткие плиты на фенольном и синтетическом связующем применяют для теплоизоляции строительных конструкций, оборудования, теплосетей, а также холодильных установок.

Теплоизоляционные жесткие плиты, скорлупы, цилиндры, сегменты на битумном и синтетическом связующем применяют для теплоизоляции теплосетей с температурой до 600⁰С.

Стекловата.

Это волокнистый теплоизоляционный материал, получаемый из расплавленной стекломассы.

Стекловата имеет повышенную химическую стойкость, теплопроводность при 25⁰С - 0,05 Вт/м⁰С, она не горит и не тлеет, плотность в рыхлом состоянии не должна быть более 130 кг/м³. Диаметр волокон стекловаты, применяемой для теплоизоляции, не превышает 21 мкм. Структура ваты должна быть рыхлой - количество прядей, состоящих из параллельно расположенных волокон, не более 20% по массе.

Стекловату изготовляют фильерным, дутьевым и штабиковым способами.

Стекловату из непрерывного стекловолокна применяют для изготовления теплоизоляционных материалов и изделий и теплоизоляции при температуре изолируемых поверхностей от -200 до +450⁰С.

Маты и полосы из стекловаты используют для изоляции плоских поверхностей и трубопроводов. Поверхность матов проклеивают 2-5% - ным раствором декстрина.

Изделия из стекловаты используют для теплоизоляции строительных конструкций холодильников и средств транспорта при температуре от -60 до +180⁰С.

Вспученный перлит.

Это пористый сыпучий материал, получающийся вспучиванием природного перлита во вращающихся или шахтных печах при температуре 900-1200⁰С. Процесс получения вспученного перлита заключается в быстром нагреве сырья (изверженной горной породы перлита, состоящего из вулканического стекла с включением полевых шпатов, кварца и других минералов) до температуры обжига. Содержащаяся в горной породе гидратная вода энергично испаряется и удаляется из породы, а в момент размягчения пар вспучивает ее, и происходит многократное увеличение объема.

Вспученный перлит в виде песка представляет собой зерна белого или серого цвета с воздушными замкнутыми порами. Размер зерен 0,1-5,0 мм, плотность перлитового песка 100-250 кг/м³, теплопроводность в сухом состоянии 0,046-0,071 Вт/м⁰С, истинная пористость до 85-90%, а количество открытых пор 3-20%.

Перлитовый песок применяют в растворах и бетонах, идущих для приготовления теплоизоляционных изделий, огнезащитных штукатурок, а также теплоизоляционных засыпок при температуре изолируемых поверхностей от -200 до +800⁰С. Добавка вспученного перлита к минеральным вяжущим веществам позволяет получать несгораемые изделия, обладающие высокой жесткостью и хорошими теплофизическими свойствами.

Производят: керамоперлитфосфатные и керамоперлитовые изделия; теплоизоляционные плиты из перлитпластбетона; битумоперлитовые изделия; перлитогелевые изделия.

Керамоперлитфосфатные изделия применяют для изоляции печей и оборудования с температурой до 1150⁰С.

Керамоперлитовые изделия - плиты, кирпич, сегменты - применяют для теплоизоляции поверхностей прмышленных печей и оборудования с температурой до 900⁰.

Теплоизоляционные плиты из перитопластбетона обладают повышенной огнестойкостью и прочностью и могут использоваться в качестве самонесущих конструкций.

Перлитогелевые изделия применяют для теплоизоляции поверхностей энергетического оборудования при температуре до 650⁰С.

Битумоперлитовые изделия применяют при температуре эксплуатации -60 - +50⁰С для тепловой изоляции конструктивных элементов зданий, для монолитной изоляции тепловых и холодильных установок и трубопроводов при их безканальной прокладке.

Вспученный вермикулит.

Получают ускоренным обжигом до вспучивания горной породы вермикулита из группы гидрослюд. Вермикулит при нагревании до 1000-1100⁰С выделяет кристаллизационную воду и быстро вспучивается. Пары воды действуют перпендикулярно плоскостям спайности и раздвигают пластинки слюды, увеличивая первоначальный объем в 20 раз и более.

Вспученный вермикулит представляет собой пористый материал в виде чашуйчатых частиц золотисто- желтого цвета размером 5-15 мм, плотностью 80-150 кг/м³, а при более мелких зернах 200-400 кг/м³ теплопроводность при температуре 100⁰С составляет 0,048-0,10 Вт/м⁰С. С повышением температуры до 400⁰С увеличивается теплопроводность до 0,14-0,18 Вт/м⁰С. Вспученный вермикулит при нагревании до 1100⁰С начинает разрушаться, а при 1300⁰С он плавится. Водопоглощение очень велико, оно может быть более 300% по массе.

Вспученный вермикулит применяют в качестве теплоизоляционной засыпки при температуре изолируемых поверхностей до 900⁰С, для изготовления теплоизоляционных изделий, а также в качестве заполнителя для легких бетонов и для приготовления штукатурных огнезащитных, теплоизоляционных и звукопоглощающих растворов.

Цементно- вермикулитовые плиты М300 применяют для тепловой изоляции ограждающих конструкций гражданских и промышшленних зданий и сооружений.

Керамовермикулитовые плиты М350 применяют для теплоизоляции ограждающих конструкций зданий, горячих поверхностей печных и других агрегатов и оборудования при температурах до 1200⁰С.

Измельченный диатомит.

Это рыхлая, землистая или слабосцементированная , пористая и легкая кремнеземистая горная порода белого или желтоватого цвета, образованная преимущественно из обломков панцирей диатомовых водорослей - диатомей. Плотность 400-1000 кг/м³, пористость - 60-70%, обладает большой адсорбирующей способностью. Рыхлая, сыпучая разновидность диатомита называется кизельгур (диатомовая земля).

В строительстве применяется для тепло - и звукоизоляции, добавки к цементам, в качестве теплоизоляционной засыпки.

Измельченный трепел.

Это легкая, пористая осадочная горная порода, землистая или кусковатая, аналогичная по своим свойствам диатомиту, но почти лишенная органических остатков. Цвет белый, светло-серый, желтоватый, иногда темно-серый до черного или пятнистый (окрашенный примесью битумов). Прилипает к языку и сильно впитывает воду. Содержит 75-90% аморфного кремнезема в виде сцементированных мельчайших округлых частиц - опала. Средняя по объему плотность 600-1000 кг/м³.

Применяется при изготовлении теплоизоляционных материалов, как адсорбент, в качестве активной добавки к вяжущим, в составе пуццоланового портландцемента. Используется при изготовлении динамита.

Практическое задание

1. Какую максимальную нагрузку на сжатие выдержит фундаментный блок размерами 1200?400?600 мм, изготовленный из бетона марки М200? Предел прочности при осевом сжатии:

R_сж = F_разр/S

В нормативных документах указывается предел прочности при растяжении R_сж. Согласно нормативным документам R_сж для бетона М200: 20 МПа. Приближенно можно считать:

F R_сж? S = 20 ?10⁶ ?1.2 ? 0.4 = 9.6 ?10⁶ Н = 9600kH = 9.6 МН.

Плотность вещества (абсолютная, истинная) одного и того же материала

Истинной плотностью вещества называется физическая величина, равная массе, заключенной в единице объема:

= m / V, кг/м³,

Объемной плотностью (средней плотностью) материала называется величина, равная массе единицы объема данного материала в естественном состоянии V_e

_m = m / V_e

Поэтому истинная плотность вещества одного и того же материала а) всегда больше объемной массы материала.

2. При увеличении плотности материала его коэффициент теплопроводности:

а) возрастает, это следует из формулы Некрасова, связывающей теплопроводность (Вт/м⁰С) с относительной плотностью каменного материала (d):

= 1,16 - 0,16,

3. Пористость материала

С) может быть равна нулю, но никогда не равна 100%, потому что: пористость П есть степень заполнения объема материала (V_е) порами (V_п ):

П = V_п/ V_е, %

Например, для оконного стекла и стеклопластика П = 0, а для мипора (вспененный полимер) П = 98%.

4. При увеличении влажности материала его коэффициент теплопроводности

а) возрастает, так как теплопроводность воды (=0,58 Вт/м⁰С) в 25 раз больше теплопроводности воздуха ( = 0,023 Вт/м⁰С).

6. Весовая влажность материала

а) может быть больше 100% для пористых теплоизоляционных материалов, так как влажность материала определяется его способностью поглощать воду. Водопоглощение определяют по объему и массе ( нас интересует водопоглощение по массе, характеризующая весовую влажность):

водопоглащение по объему: W_o = (m_в - m_c)/ V_e

водопоглощение по массе: W_м = (m_в - m_с)/m_с

W_о = W_м d

m - масса образца, насыщенного водой;

m - масса образца в сухом состоянии;

d - относительная плотность.

например, вспученный вермикулит имеет водопоглощение по массе в 300%.

7.Марка материала по морозостойкости определяется

а) числом циклов замораживания и оттаивания при его полном водонасыщении, исходя из нормативных определений:

Морозостойкость - свойство насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание.

За марку материала по морозостойкости принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которые выдерживают образцы материала без снижения прочности на сжатие более 15%.

8. Твердость материала определяется:

а) способностью сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела.

Классическое определение: Твердость - свойство материала сопротивляться местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела.

9. предел прочности материала при изгибе определяется

а) делением изгибающего момента на момент сопротивления поперечного сечения.

Предел прочности при изгибе определяют путем испытания образца материала в виде призм или балочек на двух опорах, а это есть задача «Сопротивления материалов», решение которой и дает :

R_и = M / W

10. единица измерения прочности материалов:

б) Н / м² = Па - паскаль. Эта размерность следует из формулы определения предела прочности:

R = F(внешнее воздействие, сила, Н) / S(поперечное сечение, м²).

Вариант №9

1. Механические свойства строительных материалов: твердость материалов, методы определения твердости, шкала Мооса

строительный материал песок портландцемент

Твердость - свойство материала сопротивляться местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела.

Твердость минералов оценивают шкалой Мооса, представленной десятью минералами, из которых каждый последующий своим острым концом царапает все предыдущие. Эта шкала включает минералы в порядке возрастающей твердости от 1 до 10:

1. Тальк 3MgO 4SiO₂ H₂ O - легко царапается ногтем.

2. Гипс CaSO₄ 2H₂ O - царапается ногтем.

3. Кальцит CаCO₃ - легко царапается стальным ножом.

4. Флюорит (плавиковый шпат) CaF₂ - царапается стальным ножом под небольшим нажимом.

5. Апатит Ca(PO₄ )₃ F - царапается ножом под сильным нажимом.

6. Ортоклаз K₂ O Al₂ O₃ 6SiO₂ - царапает стекло.

легко царапают стекло; применяются в качестве абразивных ( истирающих) материалов.

7. Кварц SiO₂ -

8. Топаз Al₂ (SiO₄)(F,OH)₂

9. Корунд Al₂ O₃

10. Алмаз C

Твердость древесины, металлов, бетона и некоторых других строительных материалов определяют, вдавливая в них стальной шарик или твердый наконечник (в виде конуса или пирамиды). В результате испытания вычисляют число твердости

НВ = Р / F

F - площадь поверхности отпечатка.

От твердости материалов зависит их истираемость: чем выше твердость, тем меньше истираемость.

Истираемость оценивают потерей первоначальной массы образца материала, отнесенной к площади поверхности истирания F

И = (m₁ - m₂) / F,

m₁ и m₂ - масса образца до и после истирания.

Сопротивление материала истиранию определяют пользуясь стандартными методами: кругом истирания и абразивами (кварцевым песком или наждаком). Это свойство важно для эксплуатации дорог, полов, ступеней лестниц и т. п.

Износом называют свойство материала сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов. Износ определяют на образцах материалов, которые испытывают во вращающемся барабане со стальными шарами или без них. Показателем износа является потеря массы пробы материала в результате проведенного испытания (% к первоначальной массе):

Из = (m₁ - m₂)/m₁) ?100%.

2. Гипсовые вяжущие вещества: исходное сырье, технология производства, твердение, свойства, область применения

Гипсовые вяжущие вещества - это, состоящие в основном из полуводного гипса или ангидрида, воздушные вяжущие, получаемые тепловой обработкой сырья и помолом.

Сырьем для их получения чаще всего служит - гипс - горная порода - который состоит преимущественно из минерала гипса СаSO₄ 2H₂ O. Используют и ангидрид СаSО₄, отходы промышленности (фосфогипс - от переработки природных фосфатов в перфосфат, борогипс и т. п.

В зависимости от температуры тепловой обработки гипсовые вяжущие подразделяют на две группы: низкообжиговые и высокообжиговые.

Низкообжиговые гипсовые вяжущие получают тепловой обработкой природного гипса при температурах 110-160⁰С. Они состоят в основном из полуводного гипса, так как дегидратация сырья при указанных температурах приводит к превращению двуводного гипса в полугидрит:

CaSO₄ 2H₂ O = CaSO₄ 0.5H₂ O + 1.5H₂ O

Реакция дегидратации протекает с поглощением тепла, для получения 1 кг полуводного гипса из двугидрата теоретически надо затратить 580 кДж.

К низкообжиговым гипсовым вяжущим относятся: строительный, формовочный и высокопрочный гипс.

Строительный гипс изготовляют низкотемпературным обжигом гипсовой породы в варочных котлах или печах. В первом случае гипсовый камень сначала разламывают, а затем в виде порошка нагревают в варочных котлах. При обжиге в открытых аппаратах, сообщающихся с атмосферой, вода из сырья удаляется в виде пара, и гипсовое вяжущее состоит в основном из мелких кристаллов в-модификации полугидрата СаSО₄ 0,5Н₂ О; содержит также некоторое количество ангидрида СаSО₄ и частицы неразложившегося сырья.

Формовочный гипс состоит также в основном из в-модификации полугидрата. Он содержит незначительное количество примесей и и тонко размалывается. Применяется в керамической и фарфорово-фаянсовой промышленности для изготовления форм.

Высокопрочный гипс получают термической обработкой высокосортного гипсового камня в герметичных аппаратах в среде насыщенного пара при давлении выше атмосферного либо кипячением его в водных растворах некоторых солей с последующей сушкой и размолом в тонкий порошок. Он состоит в основном из б-модификации полуводного сульфата кальция в виде крупных и плотных кристаллов, характеризующихся пониженной водопотребностью. Это обуславливает его более плотную структуру отвердевшего продукта и прочность на сжатие 15-20 МПа, которая при спец.технологии может достигать 60-70 МПа.

Высокообжиговые гипсовые вяжущие изготовляют путем обжига гипсового камня при температурах 600-900⁰С, поэтому они состоят преимущественно из ангидрида, который частично подвергается термической диссоциации с образованием СаО. Небольшое количество оксида кальция в составе вяжущего играет роль активизатора процесса химического взаимодействия ангидритового вяжущего с водой. Можно получить ангидритовое вяжущее и без обжига - помолом природного ангидрита с активизаторами твердения ( известью, обожженным доломитом).

Высокообжиговый гипс, в отличии от строительного, медленно схватывается и твердеет, но его водостойкость и прочность на сжатие выше (10-20 МПа), поэтому его применяют при устройстве бесшовных полов, в растворах для штукатурки и кладки, для изготовления «искусственного мрамора».

Твердение гипсовых вяжущих.

При твердении строительного гипса происходит химическая реакция присоединения воды и образования двуводного сульфата кальция:

CaSO₄ 0.5Н₂ O + 1.5H₂ O = CaSO₄ 2H₂ O

При гидратации 1кг в- полугидрата выделяется теплота, равная 133 кДж. Практически для получения удобоформуемой пластичной смеси строительный гипс требует 50-70% воды, а высокопрочный 30-40%. Вследствие значительного количества химически несвязной воды затвердевший гипс имеет большую пористость - 40-60% и более. Пористость меньше при использовании высокопрочного гипса.

Поскольку растворимость полугидрата в воде 8 г/л (в расчете на СаSO₄), а двугидрата- 2 г/л, то вскоре после затворения строительного гипса водой создаются условия для образования в пересыщенном растворе зародышей кристаллов двугидрата. Схватывание (загустевание) гипсового теста начинается с образования рыхлой пространственной коагуляционной структуры, в которой кристаллы двугидрата связаны слабым ван - дер - ваальсовскими силами молекулярного сцепления. После схватывания происходит твердение, обусловленное ростом кристаллов новой фазы, их срастанием и образованием кристаллической структуры.

Нередко при применении быстросхватывающего гипса требуется замедлить схватывание. Для этого в воду затворения добавляют животный клей или СДБ, которые адсорбируются на частицах гипса и образуют адсорбционную пленку, затрудняющую растворение полугидрата и начало его схватывания. В процессе твердения гипсовый раствор немного увеличивается в объеме, что благоприятствует изготовлению архитектурных деталей методом литья.

Основные свойства гипсовых вяжущих.

Это тонкость помола, водопотребность, сроки схватывания, прочность на растяжение при изгибе и при сжатии (марка).

Тонкость помола характеризуется массой гипсового вяжущего, оставшегося при просеивании на сите с ячейками размером в свету 0,2 мм. Установлены три степени помола: І , ІІ и ІІІ ( І - грубый помол, остаток на сите не более 30%; ІІ - средний помол, остаток на сите не более 15%; ІІІ - тонкий помол, остаток на сите не более 2%.

Водопотребность гипсового вяжущего определяется количеством воды, % массы вяжущего,неоюбходимым для получения гипсового теста стандартной консистенции - диаметр расплыва 1805 мм.

В зависимости от сроков схватывания гипсового теста стандартной консистенции выпускают следующие виды гипсовых вяжущих:

А - быстротвердеющие, с началом схватывания не ранее чем через 2 мин и концом не позднее чем через 15 мин;

Б - нормальнотвердеющие, с началом схватывания не ранее чем через 6 мин и концом не позднее чем через 30 мин;

В - медленнотвердеющие, с началом схватыванияне ранее чем через 30 мин и конец схватывания не нормируется.

Прочностные характеристики гипсового вяжущего определяют подвергая испытанию образцы-балочки размером 40 ? 40 ?160 мм изгипсового теста стандартной консистенции через 2 часа после изготовления. В зависимости от пределов прочности на сжатие R_сж и на изгиб R_из гипсовые вяжущие маркируют:

Марка.	Rсж, МПа не менее	Rиз, МПа, не менее
Г-2 Г-3 Г-4 Г-5 Г-6 Г-7 Г-10 Г-13 Г-16 Г-19 Г-22 Г-25	2 3 4 5 6 7 10 13 16 19 22 25	1,2 1,8 2 2,5 3 3,5 4,5 5,5 6 6,5 7 8

Маркировка дает информацию: например, Г-5-А-ІІ обозначает - гипсовое вяжущее марки 5 быстротвердеющее, среднего помола.

Марка гипсового вяжущего определяет область его применения:

Гипсовые вяжущие марок от Г-2 до Г-7 применяют для изготовления гипсовых деталей и гипсобетонных изделий - перегородочных панелей, сухой штукатурки, для приготовления растворов для внутренней штукатурки, получения гипсоцементно-пуццолановых вяжущих.

Для тонкостенных изделий (вентиляционные короба и т.п.), штукатурных работ, заделки швов применяют гипсовые вяжущие марок Г-3 до Г-25.

Кроме гипсовых вяжущих общестроительного назначения выпускают марки от Г-5 до Г- 25 тонкого помола с нормальными сроками схватывания для изготовления форм и моделей в фарфоро-фаянсовом и керамическом производстве.

3. Портландцемент. Химический и минералогический состав портландцемента, современная теория твердения портландцемента. Строение цементного камня, основные структурные составляющие. Влияние химико-минералогического состава клинкера портландцемента и тонкости его помола на физические и механические свойства цемента

Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, в составе которого преобладают силикаты кальция (70-80%). Портландцемент - продукт тонкого измельчения клинкера с добавкой (3-5%) гипса. Клинкер представляет собой зернистый материал в виде горошка, полученный обжигом до спекания при 1450⁰С сырьевой смеси, состоящей в основном из карбоната кальция ( различных видов известняков) и алюмосиликатов (глин, мергеля, доменного шлака и др.). небольшая добавка гипса регулирует сроки схватывания . допускается применение фосфогипса и борогипса.

Химический и минералогический состав портландцемента

Качество клинкера определяет все свойства портландцемента. Рассмотрим состав клинкера:

Химический состав:

определяется содержанием оксидов (% помассе), причем главных из них: СаО 63-66%;SiO₂ 21-24%; Al₂O₃ 4-8%; Fe₂O₃ 2-4%; их суммарное количество составляет 95-97%. В небольших количествах в виде различных соединений могут входить MgO; SO₃; Na₂O; K₂O; TiO₂; Cr₂O₃; P₂O₅. В процессе обжига, доводимого до спекания, главные оксиды образуют силикаты, алюминаты, алюмоферрит кальция в виде минералов кристаллической структуры, некоторые из них входят в стекловидную фазу.

Минеральный состав.

Основные минералы клинкера: алит, белит, трехкальциевый алюминат и алюмоферрит кальция.

Алит 3CaO SiO₂ (или C₃S) - самый важный минерал клинкера, определяющий быстроту твердения, прочность и другие свойства портландцемента. Содержится в количестве 45-60%. Алит в клинкере фиксируется в виде тригональной модификации - предпочтительнее сформировавшиеся кристаллы вытянутой формы размером 3-20 мкм.

Белит 2CaO SiO₂ (или C₂S) - второй по важности и содержанию (20-30%) силикатный минерал. Он медленно твердеет, но достигает высокой прочности при длительном твердении портландцемента. В интервале от нормальной температуры до 1500⁰С существует пять кристаллических форм этого силиката.

Содержание алита и белита в клинкере составляет около 75%, поэтому гидратация алита и белита в основном определяет технические свойства портландцемента. Остальные 25% составляют промежуточное вещество, заполняющее объем между кристаллами алита и белита. В основном оно состоит из:

Трехкальциевый алюминат C₃A содержится в клинкере в количестве 4-12% и при благоприятных условиях обжига получается в виде кубических кристаллов размером до 10-15 мкм и образует твердые растворы сложного состава.

Четырехкальциевый алюмоферрит C₄AF содержится в клинкере в количестве 10-20%. Алюмоферритная фаза представляет собой твердый раствор алюмоферритов кальция разного состава (наибольший 4CaO Al₂O₃ Fe₂O₃.

Также вклинкере присутствуют: клинкерное стекло, свободный оксид кальция, оксид магния и щелочи.

Теория твердения

Переход цементного теста в твердое состояние означает конец схватывания и начало твердения. Твердение при благоприятных условиях длится годами - вплоть до полной гидратации цемента.

Сразу после затворения цемента водой начинаются химические реакции. Уже в начале гидратации происходит быстрое взаимодействие алита с водой - образуются гидросиликат кальция и гидроксид кальция:

2(3CaO SiO₂) + 6H₂O = 3CaO 2SiO₂ 3H₂O + 3Ca(OH)₂.

После затворения гидроксид кальция образуется из алита, так как белит гидратируется медленнее алита и при его взаимодействия с водой гидроксида выделяется меньше, что показывает реакция:

2(2CaO SiO₂) + 4H₂O = 3CaO 2SiO₂ 3H₂O + Ca(OH)₂.

Гидросиликат кальция образуется при полной гидратации чистого трехкальциевого силиката в равновесии с насыщенным раствором гидроксида кальция. Молярное соотношение СаО/SiO₂ в гидросиликатах, образующихся в цементном тесте, может изменяться в зависимости от состава материала, условий твердения и ряда других обстоятельств.

Гидросиликаты кальция низкой основности, имеющие состав (0.8-1.5)CaO SiO₂ (1-2.5)H₂O обозначается формулой C - S - H(І), гидросиликаты более высокой основности CaO SiO₂ nH₂O обозна чаются C - S - H(ІІ). Образование низкоосновных силикатов кальция повышает прочность цементного камня; при возникновении высокоосновных гидросиликатов кальция его прочность меньше.