2.1. Основы строения и свойств материалов

1. Физические свойства.

Истинная плотность (г/см³, кг/м³) – масса единицы объема абсолютно плотного материала.

 = m/V.

m – масса материала

V – объем в плотном состоянии

Средняя плотность (г/см³, кг/м³) – масса единицы объема материала в естественном состоянии (объем определяется вместе с порами).

_m = m/V_e..

m – масса материала

V_e – объем в естественном состоянии

Насыпная плотность – масса единицы объема в насыпном состоянии.

Пористость П есть степень заполнения объема материала порами:

П = V_п/V_е или V_п – объем пор

V_е – объем в естественном состоянии

Гигроскопичность – способность материалов поглощать влагу из воздуха.

Влажность материала определяется содержанием влаги, отнесенной к массе материала в сухом состоянии.

Водопоглащение – способность материала впитывать воду.

Различают объемное водопоглащение (W_v) и водопоглащение по массе (W_m).

W_v = [(m₁ - m)/V]x100% и

W_m = [(m₁ - m)/m]x100%

m₁ – масса образца, насыщенного водой, г;

m – масса сухого образца, г;

V – объем образца в естественном состоянии, см³.

Отношение между водопоглащением по массе и объему численно равно средней плотности материала, т.е.

W_v/ W_m= [(m₁ - m)/V]/[(m₁ - m)/m] = m/V_e = _m

Из этой формулы перехода можно вывести формулу перехода от одного вида водопоглащения к другому:

W_v = W_m_m

Водостойкость – способность материала сохранить свою прочность после насыщения водой. Она характеризуется коэффициентом размягчения, который определяется как отношение предела прочности материала (при сжатии) в насыщенном состоянии к пределу прочности в сухом состоянии:

К = R_нас/R_сух.

Материалы с коэффициентом размягчения не менее 0,8 относят к водостойким.

2. Механические свойства.

Прочность – свойства материала сопротивляться разрушению под действием напряжений, возникающих от нагрузки или других факторов. Прочность материала характеризуется пределом прочности при сжатии, изгибе и растяжении.

R_сж(R_раст) = Р/F,

где Р – разрушающая нагрузки, Н;

F – площадь поперечного сечения, м²;

Предел прочности при изгибе (R_изг) при одном сосредоточенном грузе и образце – балке прямоугольного сечения определяется по формуле:

R_изг = 3РL/2bh²

При двух равных грузах, расположенных симметрично оси балки:

R_изг = Р(L - a)/bh²

где Р – разрушающая нагрузка, Н;

L – пролет между опорами, м;

a – расстояние между грузами, м;

b – ширина оболочки, м;

h – высота оболочки, м.

Пример решения задачи.

1. Образец камня в виде куба со стороной 5 см имел массу в сухом состоянии 240 г. После насыщения его водой масса составила 248 г. Определить среднюю плотность и водопоглощение.

Решение:

объем образца V = 5³ = 125 см³

средняя плотность m = 240:125 = 1, 918 г/см³

Водопоглащение по массе W_m = [(248-240):240]х100 = 3,31%

Водопоглащение по объему W_о = [(248-240):125]х100 = 6,4%

2. Образец бетона разрушился при испытании на сжатии при показании манометра 30 МПа. Определить предел прочности при сжатии, если известно, что площадь образца в 2 раза меньше площади поршня.

Решение:

Усилие, передаваемое поршнем составит Р = R_n  F = 30F

Предел прочности образца

R_сж = Р/F_обр = 30F/0,5F = 60 МПа

3. Минеральные вяжущие вещества.

Минеральными вяжущими веществами называют искусственно получаемые порошкообразные материалы, которые при затворении водой образуют пластичное тесто, способное в результате физико-химических процессов затвердевать и переходить в камневидное состояние.

Минеральные вещества в зависимости от способности затвердевать в определенной среде и сохранять прочность во времени делятся на воздушные и гидравлические. Воздушные вяжущие – вещества, которые способны твердеть только на воздухе. К воздушным вяжущим относятся воздушная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие, жидкое стекло и др. Гидравлические вяжущие – вещества, которые способны твердеть на воздухе и воде. К гидравлическим относятся гидравлическая известь, романцемент, портландцемент и его разновидности.

3.1. Строительной известью называют продукт обжига (до удаления углекислоты) известняка, ракушечника, мела, доломитизированного известняка и т.д.

CaCO₃ + 177,7 кДж = CaO + CO₂ 

В результате обжига получают продукт в виде кусков белого цвета, называемый комовой известью (кипельной).

В зависимости от способа измельчения комовой извести различают негашеную молотую и гашеную (гидратную).

Гашение извести происходит по следующей реакции:

CaO + H₂O = Ca(OH)₂ + 65,2 кДж

Процесс твердения извести включает несколько этапов. В результате испарения воды частицы Ca(OH)₂ сближаются между собой, затем образуют прочные кристалличесие сростки, кроме того, происходит взаимодействие гидрооксида кальция с углекислым газом воздуха.

Ca(OH)₂ + CO₂ + n H₂O = CaCO₃ + (n + 1) H₂O

3.2. Гипсовыми вяжущими веществами называют материалы, состоящие из полуводного гипса или ангидрита и получаемые тепловой обработкой двуводного гипса (CaSO₄ x 2 H₂O), природного ангидрита и некоторых отходов промышленности.

Гипсовые вещества в зависимости от температуры обработки разделяют на две группы: низкообжиговые (строительный и высокопрочный гипс) и высокообжиговые (ангидритовые). Первые получают тепловой обработкой при низких температурах (110 – 180С)

CaSO₄  2 H₂O = CaSO₄  0,5 H₂O + 1,5H₂O

Вторые – обжигают при высоких температурах (600 - 900С)

Процесс твердения гипса происходит по реакции:

CaSO₄  0,5 H₂O + 1,5 Н₂О = CaSO₄  2 H₂O

По прочности при сжатии установлено 12 марок гипса: Г-2, Г-3, Г-5, Г-6, Г-10,

Г-7, Г-13, Г-16, Г-19, Г-22, Г-25.

Высокопрочным гипсом называют вяжущее, состоящее из полуводного сульфата кальция, получаемое термической обработкой двуводного гипса в автоклаве под давлением пара.

Он обладает меньшей водопотребностью, что позволяет получить гипсовые изделия с большой плотностью и прочностью.

3.3. Магнезиальные вяжущие вещества представляют собой тонкомолотые порошки, содержащие оксид магния и твердеющие при затворении водными растворами хлористого или сернокислого магния. Они делятся на два вида: каустический магензий (MgCO₃) и каустический доломит (CaCO₃ ∙ MgCO₃). Магнезиальные вяжущие обладают способностью прочно сцепляться с древесными опилками, стружками и другими органическими заполнителями.

Эти вяжущие применяются для изготовления теплоизоляционных материалов, устройства теплых и износостойких ксилолитовых полов и плиток.

3.4. Жидкое стекло представляет собой натриевый (Na₂О · SiO₂) или калиевый силикат (K₂O · SiO₂) желтого цвета, который получают плавлением в печах при 1300˚ - 1400˚С измельченного чистого кварцевого песка с содой (Na₂CO₃) или поташа (K₂ CO₃). Жидкое стекло применяется для получения силикатных огнезащитных красок, предохранения естественных каменных материалов от выветривания, уплотнения грунтов и получения кислотоупорного цемента.

Кислотоупорный цемент – тонкоизмельченная смесь кварцевого песка и кремнефтористого натрия, затворенная жидким стеклом.

3.5. Гидравлическая известь – продукт умеренного обжига мергелистых известняков, содержащих 6-20% глинистых и тонкодисперсных песчаных примесей.

Гидравлическую известь применяют для приготовления кладочных и штукатурных растворов.

3.6. Портландцементом называется гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением портландцементного клинкера с гипсом и добавками. Портландцемент получают двумя способами: мокрым и сухим. В результате обжига (t = 1450˚С) смеси глины и извести получается клинкер, который состоит из основных клинкерных минералов:

трехкальциевый силикат (3CaO · SiO₂)

двухкальциевый силикат (2CaO · SiO₂)

трехкальциевый алюминат (3CaO · Al₂O₃)

четырехкальцыевый алюмоферит (4CaO · Al₂O₃ · Fe₂O₃)

Взаимодействие портландцемента с водой приводит к образованию новых гидратных веществ, которые плохо растворяются в воде. Прочность цементного камня характеризуется маркой цемента. Марку цемента устанавливают по пределу прочности при изгибе образцов призм размером 40х40х160 мм и при сжатии их половинок, изготовленных из цементно-песчаного раствора 1:3 (по массе) на стандартном Вольском песке.

Предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут. называют активностью цемента. Портландцементы разделяют на марки 400, 500, 550 и 600.

Примеры решения задач.

1. Определить количество негашеной (комовой) извести, полученной из 10т. чистого известняка с влажностью 10%.

Решение:

При нагревании известняка вода в количестве 10% должна испариться, после чего сухого известняка останется 10000 – 1000 = 9000 кг. Исходя из химической формулы известняка и реакции, происходящей при обжиге, можно определить количество негашеной извести:

CaCO₃ = CaO + CO₂

100 = 56 + 44

9000 х (56/100) = 5040 кг

2. Определить пористость цементного камня, если В/Ц = 0,4. Для прохождения реакции при твердении цемента требуется 18% воды. Истинная плотность цемента – 3,1г/см³.

Абсолютный объем, занимаемый цементным тестом:

V_т = 1/3,1 + 0,4 = 0,72

Абсолютный объем, занимаемые цементным камнем:

V_к = 1/3,1 + 0,18 = 0,5

Относительная плотность цементного камня:

V_к /V_т = 0,5/0,72 = 0,69

Пористость:

1 – 0,69 = 0,31

4. Керамические материалы.

Керамическими называют материалы, изготовленные из глин с добавлением других материалов путем формирования, сушки и последующего обжига.

Сырье, используемое для производства керамики, подразделяют на пластичные: глины и каолины и непластичные: отощающие и выгорающие добавки и плавки.

По огнеупорности глины подразделяются на огнеупорные, тугоплавкие и легко-плавкие с огнеупорностью соответственно выше 1580ºС, в пределах 1580º-1350ºС и ниже 1350ºС.

При изготовлении керамических изделий для уменьшения пластичности, воздушной и огневой усадки в состав керамических масс вводят отощающие материалы, имеющие небольшую усадку в процессе сушки и обжига.

К отощающим материалам относят кварцевой песок, пылевидный кварц, кремень, шамот, глины, бой керамических изделий и т.д.

В глиняную массу при производстве керамических изделий вводят плавни, способные снижать температуру ее спекания и огнеупорность.

К числу наиболее применяемых плавней относят – полевые шпаты, сиениты, доломит, магнезит и мел.

Пример решения задач.

1. Какое количество обыкновенного красного кирпича можно приготовить из 5 т. глины? Влажность глины 10%, потери при прокаливании 8% от массы сухой глины. Кирпич должен быть со средней плотностью 1750 кг/м³.

Решение:

Масса глины после обжига: 5000 : 1,1 : 1,08 = 4209 кг

Объем 1000 шт кирпича: 1000 х 0,25 х 0,12 х 0,065 = 1,95 м³

Масса 1000 шт: 1,95 х 1750 = 3412 кг

Из 4209 кг обожженной глины можно получить кирпичей (4209/3412) х 1000 = 1230 шт.

5. Искусственные каменные необожженные материалы.

Искусственные каменные материалы получают в результате формирования и твердения растворных или бетонных смесей, приготовленных на основе извести, гипса, магнезиальных вяжущих веществ и портландцемента.

Для получения искусственных материалов в качестве заполнителей применяют кварцевой песок, шлаки, золы, древесные опилки, волокнистые материалы, в частности асбестовое волокно, древесные стружки и др.

Пример решения задач.

1. Подсчитать расход материала на 1 м³ известково-песчаного раствора состава 1:5 по объему при условии, что известковое тесто и готовый раствор пустот не имеют, а песок имеет пустот 38%

Решение:

Абсолютный объем раствора 1:5 составляет: 1 + 5(1 – 0,38) = 4,1

Коэффициент выхода раствора  = 4,1/(1+5) = 0,68.

Расход известкового теста на 1 м³ раствора 1/0,68(1+5) = 0,24 м³

Расход песка 5 х 0,24 = 1,2 м³

6. Лесные материалы.

Древесина как анизотропный материал обладает разнообразными физико-механическими свойствам, которые следует учитывать при использовании древесных пород в конструкциях зданий и сооружений.

Свойства древесины в значительной степени зависят от влажности. В зависимости от содержания влаги, различают мокрую древесину с влажностью более 100%, свежесрубленную – 35-40%, воздушно-сухую – 15-20%, комнатно-сухую –

8-12% и абсолютно сухую древесину.

Условно за стандартную влажность, на которую пересчитывают все показатели свойств древесины, принята влажность 12%.

Плотность древесины увеличивается с повышением влажности. Обычно плотность древесины приводят к плотности при влажности 12% по формуле

¹² = ^W[1+0,01(1-K₀)(12-W)]

где ¹² – плотность при влажности 12%;

^W – плотность при той влажности, которую он имеет в момент определения;

K₀ – коэффициент объемной усушки (колеблется в пределах 0,2 –0,75);

W- влажность древесины.

Прочность древесины также зависит от влажности, с повышением влажности она уменьшается. Предел прочности R_w, полученный при влажности древесины в момент испытания, можно пересчитать на 12% влажность по формуле

R₁₂ = R_w[1+a(W-12)]

где R₁₂ – предел прочности при влажности 12%

R_w – предел прочности при влажности W

а – пересчетный коэффициент (при сжатии и изгибе а=0,04, при скалывании а=0,03).

Пример решения задач.

1. Образец дуба с поперечными разрезами 2х2 см, высотой 3 см и влажностью 9% разрушился при испытании на сжатие при Р=32600Н. Определить предел прочности при влажности 12%.

Решение:

Определяем прочность при влажности 9%

R = P/F = 32600/(0,02x0,02) = 81500000 Па = 81,5 МПа

Прочность при 12% влажности определяется по формуле

R¹² = R[1+(W-12)] = 81,5[1+0,04· (-3)] = 71,6 МПа

7. Органические вяжущие вещества.

Органические вяжущие вещества представляют собой природные или искусственные. Органические вяжущие вещества разделяют на битумы и дегти. На основе битумов и дегтей изготовляют другие вяжущие вещества и материалы в виде эмульсий и паст, асфальтовых лаков, асфальтовых растворов и бетонов. На основе битумов изготовляют различные рулонные материалы.

Пример решения задач.

1. Определить марку битума. Известно, что глубина проникновения иглы 4 мм, растяжимость 40 см, температура размягчения 51С.

Решение:

По таблице физико-механических свойств битума определяем:

битум марки БН-50/50

8. Состав и свойства бетона.

Состав бетона принято выражать соотношением между массой или объемом цемента, песка, щебня или гравия и воды в виде 1:х:у и В/Ц

Здесь масса или объем цемента принята за единицу, х и у – соответственно число частей мелкого и крупного заполнителя на 1 часть цемента; В/Ц – водоцементное отношение. Различают номинальный (расчетный) и полевой составы бетона.

Состав бетона, установленный в лабораторных условиях на сухих заполнителях называют номинальным; на строительных площадках, заводах заполнители имеют естественную влажность, поэтому номинальных состав пересчитывается на так называемый полевой состав. Прочность бетона в зависимости от В/Ц отношения выражается уравнением

R_б = AR_ц(Ц/В0,5)

где А – коэффициент качества заполнителя

R_ц – активность цемента, МПа (КГС/см²)

Прочность бетона изменяется во времени. Нарастание прочности во времени приближенно может быть выражено логарифмической зависимостью

R_n = R₂₈(lgn/lg28)

где R_n и R₂₈ – прочность

n – возраст бетона

Пример решения задач.

1. На 1м³ бетона расходуется цемента Ц-300, песка П-600, гравия Г-1200 и воды В-200л. Выразить состав бетона в виде соотношения масс 1:х:у: и В/Ц

Решение:

Х = П/Ц = 600/300 = 2

У = Г/Ц = 1200/300 = 4

В/Ц = 200/300 = 0,67

2. Подсчитать расход материалов на 1 м³ уплотненной смеси, если на опытный замес было затрачено 2,5 кг цемента, 1 л воды. 3 кг песка и 5 кг щебня, а средняя плотность составила 2300 кг/м³

Решение:

Суммарная масса всех материалов на опытный замес: 2,5+1+3+5=11,5 кг

Тогда доля цемента составит 2,5/11,5 = 0,217; воды 1/11,5 = 0,087;

песка 5/11,5 = 0,261; щебня 3/11,5 = 0,435

Расход компонентов на 1 м³ уплотненной бетонной смеси: цемента 0,217 х 2300 = 500 кг; воды 0,087 х 2300 = 200 л; песка 0,261 х 2300 = 600 кг; щебня 0,435 х 2300 = 990 кг.

9. Кристаллизация и фазовый состав железоуглеродистых сплавов.

В сплавах в зависимости от состояния различают следующие фазы: жидкие и твердые растворы, химические и промежуточные соединения.

Фазой называется физически и химически однородная часть системы, имеющая одинаковый состав, строение, одно и то же агрегатное состояние и отделенная от остальных частей системы поверхностью раздела.

Поэтому жидкий металл представляет собой однородную систему, а смесь двух различных кристаллов или временное существование жидкого расплава и кристаллов соответственно двух – и трехфазные системы. Вещества, образующие сплавы называются компоненты. Процесс кристаллизации металлических сплавов описывают диаграммами состояния или фазового равновесия, получаемыми на основе термического анализа (диаграмма состояния Fe-Fe₃C).

В зависимости от процентного содержания углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие наименования:

• техническое железо С  0,02 %

• доэвтектойдные стали С = 0,02 - 0,8%

• эвтектойдные стали С = 0,8 %

• заэвтектойдные стали С =0,8 – 2,14%

• доэвтектические чугуны С + 2,14 – 4,5%

• эвтектика – ледебурит С = 4,3%

• заэвтектический чугун С = 4,3% - 6,67%

Пример решения задач.

1. Построить кривую охлаждения сплава (железо-карбид железа) в интервале температуры от 0⁰ до 1600⁰С содержащего углерода 2,14%.

Решение:

На диаграмме фазового состояния Fe-Fe₃C проводим прямую из точки горизонтальной прямой с содержанием С = 2,14%. Линия пересекает).

ТºС

1 500

Ж

1 200 Ж + А

9 00 А + Ц

6 00 Ц + П

3 00

t, время

Рис. 1. Кривая охлаждения сплава С – 2,14%