144089 (Материаловедение)

1. Мат-е-дисциплина, изучающая взаимосвязь строения, структуры со св-вами стр.м-лов. Все изделия и констр-ции, α применяются в стр-ве должны обеспечивать долговечность и надежность при длител.эксплуатации. Долг-тью м-лов назыв. св-во сохранять свои св-ва на протяжении многих лет с перерывами на ремонты. Долг-ть измеряют сроком службы без разрушения в конкретных климатич.усл-х и усл-х эксплуатации. Напр., для ж/б констр-ций установлены 3 группы долг-ти: 1 до 100 лет, 2 до 50 лет, 3 до 10 лет. Надеж-ть-общее св-во, характеризующее проявление всех остал.св-в в процессе эксплуатации. Надеж-ть складывается из долг-ти, безотказности и ремонтопригодности.

2. Стр. м-лы по назначению: 1) м-лы универсал.типа, применяемые для несущ.конструкций: природ.камен.м-лы, искусственно-камен.м-лы, получаемые на основе вяж-их м-лов без обжига (бетоны, р-ры), получаемые термич.обработкой (керам.кирпич, стр.стекло, ситаллы, мет-лы и их сплавы); 2) м-лы, необходимые для защиты конструкций, для улучшения эксплуатац.св-в здания и создания комфорта; м-лы, α использ-ся для защиты констр-ций и сооруж-й от вред.влияния внеш.среды: акустич.м-лы, гидроизоляционные, кровельные, герметизирующие, отделочные, декоративные.

3. Знание строения м-лов необходимо для понимания их св-в и в конеч.итоге для решения многих практич.задач, а также решения вопроса, где и как применить тот или иной м-л с т.з. эк-ки и получ-я тех.эффекта. Стр-ра м-лов изучается на 3 уровнях: 1) Макростр-ра-то, что видим невооружен.глазом; 2) Микростр-ра-стр-ра, α изучают с помощью оптич.микроскопов. 3) Внутр.строение в-в, составляющих м-л, α изучают с помощью различ.м-дов (электрон.микроскопия, рентгено-фазов.анализ, дифференциально-термич.анализ, электронно-магн.резонанс, ядерный гамморезонанс, электронно-парамагн.резонанс, ИК-спектроскопия). Макростр-ра м-лов м.б. след.типов: конгломератная (природ.камен.м-лы, бетоны, керам.м-лы), ячеистая (пенобетон, пеногазобетон, газосиликаты, яч.пластмассы), рыхло-зернистая (для заполнителей тяж.бетонов и р-ров), волокнистая (древесина, стеклопластик, изделия из минерал.ваты), слоистая (рулон.стр.м-лы: текстолит, бумопласта), мелкопористая (кристаллич. или аморфная). Кристал.стр-ра-стр-ра, α имеет дальний геом.порядок. Аморф.стр-ра не имеет дал.геом.порядка, а имеет ближ.хим.порядок (стекло). Кр.: мет-лы (кроме ртути), сплавы. Св-ва м-лов с различ.стр-рами резко отлич-ся друг от друга. Напр., мет-лы и их сплавы обладают опред.фиксирован.точками плавления. Аморф.м-лы не имеют ее, а имеют интервал размягчения, причем эти стр-ры (к., а.) могут переходить из одного состояния в др. (кристаллич.кварц). Практич.знач-е для природ. и искусств.м-лов имеет знач-е явл-е полиморфизма, когда одно и то же в-во способно сущ-ть в различ.кристаллич.формах-модификациях. В стр-ве применяют поликристаллич.камен.м-лы, в α различ.кристаллы ориентированы беспорядочно. Подобные м-лы рассматриваются, как изотропные, они имеют свои строительно-технич.св-ва (искл.: слоистые м-лы). Внутр.строение в-в опред-т мех.прочность м-ла, тверд-ть, тугоплавкость, хим.стойкость к агрессив.средам, стойкость к различ.рода излучениям, к агрес.действию внеш.среды.

4. М-ды оценки состава и стр-ры: 1) Петрографический использ-ся для исслед-ния цемент.клинкера, цемент.камня, бетонов, стекла, огнеупоров, керамики. В этот м-д входит цветов. или оптич.микроскопия. Исслед-ся показатели светопреломления, сила двойного светопрелом-ия, цвет м-ла. Сущ-ет несколько модификаций этого м-да: поляризацион.микроскопия. Предназначена для изучения образцов м-ла в виде порошков в иммерсионных аппаратах. В них используют имерсион.жид-ти, α имеют постоян. показ-ль светопрел-ия (керосин). 2) Электрон.микроскопия использ-ся для опред-я и исслед-я тонкокристал.массы. Соврем.электрон.микроскопы обладают увелич-ем до 300000 раз. Это увелич-е позволяет рассматривать частицы с размерами 0,3-0,5 нм. Такое глубокое проникновение в мир частиц, волны α во много раз короче волн видим.света, позволяет опред-ть многие св-ва, фазов.превращения, хим. реакции, происходящие в м-ле. Можно опред-ть размеры частиц, все процессы, происходящие при термич.обработке, α подвергаются м-лы. 3) Рентгенографич.анализ основан на изучении дифракции рентгенов.лучей в этом в-ве. Рент.лучи-электромагнит.кол-ния, что и свет, но имеют длину волны 0,05-0,25 нм. Применение основано на том, что длина волны сопоставима с межатом.расстояниями, сама кристалл.решетка в-ва явл-ся естеств.дифракцион.решеткой. 4) Дифференциально-термич.анализ (ДТА) основан на том, что при нагревании м-лов или их о бразцов происходят фаз.переходы, сопровождающиеся теплов.эффектами. При термич.воздействиях происходит выдел-е или поглощение тепла. При выдел-и тепла происходит появл-е бол.пика t при таких процессах, как плавл-е, диссоциация, дегидратация и др.-экзотермич.процессы. Процессы, сопровождающиеся поглощ-м тепла, назыв. эндотермич., при α происходит соед-е в-в, переход аморф.состояния в кристаллич., окисл-ние в-ва. Прибором для изуч-я этих проц-в явл. дериватографы-приборы, α позволяют записывать весь проц-с на термаграммах. Исслед. образец и эталон помещаются в печку, концы термопары выведены на дериватограф. Одна термопара около исслед.обраца, др. у эталона (не испытывает фаз.превращ-й), t можно опред-ть с точностью до 0,1°. 5) Спектрал.анализ-физич.м-д качеств. и количеств.анализа в-в, основанный на изучении их спектров. ИК-спектроскопия-один из м-дов. Она основана на взаимодействии исслед.в-ва с ИК-излучением. ИК-спектры связаны с колебат.эн-гией атомов и эн-гий вращ-я молекул. Они явл-ся характер-ми для кажд.группы и сочетания атомов. Для этой цели использ-ся спектрофотометры.

5. Параметры состояния. 1) Истин.плот-ть, ρ (г/см³, кг/м³)-отн-е массы абсолютно плотного в-ва к его объему. ρ=m/V 2) Относит.плот-ть, d-отн-е плот-ти м-ла к плот-ти воды. Явл-ся безразмер.вел-ной. 3) Все м-лы, за искл. мет-лов, сплавов и стекла, явл. пористыми, поэтому объем порист.м-ла в естеств. состоянии слагается из объема м-ла и объема пор. Ve=Va+Vп. 4) Сред.плот-ть-отн-е массы м-ла в естеств.состоянии. ρ_m=m/Ve. Плот-ть порист.м-ла всегда < плот-ти м-ла без пор. Напр., пл-ть легкого бетона 500-1800 кг/м³, пл-ть тяж.бетона 2600 кг/м³. 5) Насыпная пл-ть, ρ_н –масса ед-цы объема рыхлонасыпан., волокнист. или зернистых м-лов (щебень, гранулирован. мин.вата, гравий, песок). Она всегда < истин.пл-ти и средней. Строение порист. м-ла харак-ся общей, открытой и закрытой порист-тью. Пор-ть-степень заполнения объема м-ла порами, опред-ся отн-м объема пор к общему объему м-ла. П= Vп/ V %. Экспериментал.м-д опред-я пор-ти основан на замещении порист.пр-ва гелием или водой. Для хар-ки пор-ти сущ-т коэф-т плот-ти-степень заполнения объема м-ла тв.в-вом. Опред-ся как отн-е плот-ти м-ла к пл-ти м-ла без пор. К_ПЛ=ρ_m/ρ. Явл-ся важ.хар-кой, с помощью α можно дать оценку некот.св-вам м-лов. Открытые поры м-ла сообщаются м-ду собой и с окруж.средой, поэтому они могут заполняться при обыч.усл-х насыщения, отриц-но влияют на многие св-ва м-ла: увелич-т водопрониц-ть, повыш-т теплопров-ть, снижают морозост-ть→снижает прочн-ть. П_О=(mв-mc)/(Ve*ρ_H2O). Закрытая пор-ть-разность общей пор-ти и открытой. П_З=П-П_О. Увелич-е степени закр.пор-ти увелич-т долг-ть м-ла, морозост-ть→повыш-ся проч-ть, снижается теплопров-ть, улучшает акустич.св-ва м-лов, увелич-ся звукопоглощение за счет поглощ-я звук.эн-гии порами.

6. Гидрофизич.св-ва. 1) Гигроскопичность-св-во капиллярно-пористого м-ла впитывать водяной пар из воздуха. Дан.процесс назыв. сорбцией, он явл. обратимым. 2 вида сорбции: абсорбция, адсорбция. Проц-с абс-ции присущ для газов, адс-ции для жид-ти. М-лы, как древесина, обладают высокоразвитой внутр.пов-тью за счет бол.кол-ва пор, поэтому этот м-л обладает выс.сорбцион.способ-тью, а также: стеновые м-лы, кирпич, лег.бетоны; не обладают сорбцион.способ-тью мет-лы, пластмассы и др. Чтобы оценить и понять проц-с сорбции м ожно рассмотреть изотерму адсорбции для газа или пара (жид-ти). Это явл-е явл. вредным для стр.м-лов. Увлаж-е м-лов способств-т увелич-ю теплопровод-ти м-ла, что явл. нежелат.явл-ем для стр-ва гражд.зданий. Поэтому для предотвращения дан.явл-я стремятся гидроизолировать плиты перекрытий, надзем.части, надфундамент.части зданий спец.м-лами, α назыв. гидроизоляц-ми. Для предотвращ-я капилляр.всасывания дан.констр-ции можно покрывать различ.мастиками и подоб.рода м-лами. 2) Капилляр.всасывание происходит, когда часть констр-ции здания находится в воде. При этом происходит явл-е поднятия грунт.вод по капил-рам, при этом увлаж-ся ниж.часть зданий. Чтобы этого не происходило в конст-циях устраивают гидроизоляц.слой, отделяющий фундамент.часть от надфундамент-й. Капил.всас-е харак-ся высотой поднятия жид-ти по капил-рам, кол-вом поглощен.воды, интенсивностью всас-я. Высоту поднятия жид-ти опред-т: h=2σcosθ/(rgρ); σ-поверхност.натяжение; θ-краевой угол смачив-я; rрадиус капил-ра; ρ-плот-ть жид-ти. Объем воды, поглощенной м-лом за время t, подчиняется параболич.з-ну: V²=Kt. K-константа всас-я. Уменьш-е интенсив-ти всас-я отраж-т улучш-е стр-ры м-ла. Важно это для бетона, что отражается на таких его св-вах, как морозост-ть, проч-ть; силикат., керам.кирпича. 3) Водопоглощение м-лов опред-т по стандарт.методике (кладут в воду, керосин). Водопогл-е опред-ся по объему и по массе: Wv=(m_в-m_c)/V*100%; Wm=(m_в-m_c)/m_c*100%; m_в-m_c-масса влаж. и сух.образца. Водопогл-е использ-т для оценки стр-ры м-ла. Для этого использ-т коэф-т насыщ-я пор водой: Кн=W/П (отн-е водопогл-я по объему к пористости). Само явл-е водопогл-я явл. отрицат.хар-кой м-ла и ухудшает все основ.св-ва стр.м-лов. При этом происходит увелич-е плот-ти, м-л набухает, увелич-ся теплопров-ть, а проч-ть и морозост-ть заметно сниж-ся. Для оценки св-в м-ла вводится термин-коэф-т размягчения: Кр=Rн/Rс (0-1); Rн-проч-ть насыщ.водой м-ла, Rс-проч-ть сухого. Если Кр у природ. и искусств.камен.м-лов ≤0,8, то такие м-лы стараются не применять. 4) Водопрониц-ть-св-во м-ла пропускать воду под давл-ем. Для этого введен термин-коэф-т фильтрации: К_ф=Vв*a/[S(P₁-P₂)t]; Vв-кол-во воды в м³, проходящей через стенку S=1м², толщиной а=1м за время t=1ч при разности давлений (P₁-P₂)=1 м вод.ст. 5) Морозост-ть-св-во насыщ.водой м-ла выдерживать опред.кол-во циклов поперемен.замораж-я и оттаив-я без уменьш-я прочност.хар-тик и без потери массы (F). Опред-ся по стандарт.методике и проводится след.образом: первоначально образцы (не <3) помещ-ся в воду при t=20±2°, насыщ-ся водой, затем образцы помещ-т в морозил.камеру при t –15 - – 20°. За марку м-ла по мороз-ти принимают наибол.число циклов поперемен.замораж-я и оттаив-я, α выдерживают образцы м-ла без сниж-я проч-ти на сжатие >15%; после испытания образцы не должны иметь видим.поврежд-й-трещин, выкрашивания (потеря массы не >5%). Мороз-ть устанавл-ся проектом в завис-ти от усл-й эксплуатации и климат.усл-й дан.района. Для стенов.м-лов мороз-ть лежит в пределах 10,15,25,50,100 для кирпича; для бетонов, дорож. и аэродром.покрытий 100-500 циклов (испытывают нагрузки на растяжение). Т.к. Мороз-ть влияет на прочност.хар-ки м-ла, то с помощью этого св-ва можно косвенно оценить проч-ть м-ла.

7. Теплофизич.св-ва. 1)Теплопров-ть-св-во м-ла передавать тепло от одной пов-ти к др. Это св-во явл-ся глав. как для бол.группы теплоизоляц.м-лов, так и для м-лов, применяемых для устр-ва наруж.стен и покрытий зданий. Теплов.поток проходит через каркас м-ла и его воздуш.ячейки. Теплопров-ть самого воздуха λ=0,023 Вт/м*°С явл. маленькой вел-ной по отн-ю к тв.м-лу, поэтому увелич-е пористости явл. основ.способом уменьшить теплопр-ть. Для этого стремятся создать как можно > закрытых пор. Для оценки теплопр-ти м-ла сущ-т ф-ла: ; λ-теплопр-ть, d-толщина м-ла. При повышении t теплопр-ть большинства стр.м-лов возрастает и лишь у некот. (мет-лы, магнезит.огнеупоры) она уменьшается. 2) Теплоем-ть-способн-ть к аккумулированию тепла при нагрев-и и отдавать тепло при остывании. Она опред-ся кол-вом тепла, α необходимо сообщить одному кг дан.м-ла, чтобы повысить его t на 1°С. Теплоем-ть стр.неорг.м-лов (камен.м-лы, бетоны) колеблется 0,75-0,92 кДж/кг*°С; орг.м-лов 2,39-2,75 кДж/кг*°С. Наибол.теплоем-тью обладает вода (4,19). 3) Огнеупорн-ть-св-во м-ла выдерживать длител.воздействие выс.t, не размягчаясь и не деформируясь. Огнеупор.м-лы, α обладают выс.огнеуп-тью 1500-1600° и >, применяют для внутр.футеровки пром.печи. Тугоплавкие м-лы начинают размягчаться при 1350°. 4) Огнестойкость-св-во м-ла сопротивляться действию огня в течение опред.времени. Она засисит от сгораемости м-ла, т.е. от его способн-ти воспламеняться и гореть. М-лы делятся на несгор., трудносгор., сгораемые. Несгор.: бетон, м-лы на минерал.вяж-их (керам.кирпич), сталь, чугун, сплавы. Некот.м-лы под воздействием огня могут растрескиваться (гранит) и сильно деформироваться (мет-лы при t >600°), поэтому конст-ции из таких м-лов нередко приходится защищать более огнестойкими м-лами. Трудносгор.м-лы под воздействием огня или выс.t тлеют, но при прекращ-и действия огня их горение и тление прекращается (асфальтобетон, пропитанная антипиренами древесина (Al₂(SO₄)₃), фибролит). Сгор.: орг.м-лы, α горят открытым пламенем, поэтому такие м-лы необходимо защищать от возгорания (антипирен, конструктив.меры). 5) КТР-коэф-т термич.расширения м-ла. Во избежании растрескивания сооруж-й бол.протяжен-ти из разрезают деформац.швами. 6) Термич.сопр-е R, м²*°С /Вт слоя многослой.огражд.констр-ции, а также однослойной: R=δ/λ; δ-толщина слоя; λ-теплопр-ть слоя м-ла. От нее зависят толщина наруж.стен и расход топлива на отопление здания.