Экология строительных материалов

 

 Деформативные свойства. Силовое воздействие на материал вызывает удаление, сближение или сдвиг атомов. Способность материала восстанавливать форму и объем (твердые материалы) или только объем (жидкие и газообразные материалы) после прекращения действия сил называется упругостью. Для кристаллических материалов упругость вызывается силами притяжения между элементами, образующими пространственную решетку. Раздвинутые под воздействием механических усилий элементы решетки после снятия их стремятся возвратиться в первоначальное положение.

 

 Свойство материала получать  значительные упругие деформации  под действием сравнительно небольших  нагрузок и восстанавливать в  основном размеры и форму после  разгрузки называется эластичностью.  Высокоэластичные материалы (резина, поролон и др.) после снятия  нагрузки восстанавливают первоначальные  размеры и форму практически  мгновенно.

 

 При превышении некоторого  предельного значения напряжения, развиваемого в материале, называемого  пределом упругости, обнаруживается  необратимая (пластическая) деформация. Хрупкие материалы разрушаются,  когда напряжение в них не  достигает предела упругости.

 

 В упругой области деформация  материала пропорциональна действующему  напряжению (закон Гука). В соответствии  с законом Гука      где а — нормальное напряжение; Е — модуль упругости при растяжении; е — относительное удлинение.

 

 Модуль упругости определяет  прочность межатомных связей, он  взаимосвязан с рядом механических  и физических свойств: прочностью, твердостью, температурой плавления  и др. Значения модуля упругости, 1 • 10' МПа: для гранита 30—60; бетона тяжелого 19—40; стекла оконного 48—83; сплавов алюминия 72; чугуна 80—160; стали 200—220.

 

 Материалы, подвергнутые воздействию  внешних сил, обладают способностью  к самопроизвольному снятию внутренних  напряжений. Это объясняется явлением  релаксации — постепенным рассеиванием  упругой энергии деформированного  материала, переходом ее в теплоту.  Период релаксации или время,  в течение которого упругое  напряжение спадает на определенную  величину тр, для твердых тел очень велик по сравнению с временем наблюдения, а для жидкостей, наоборот, мал. Его выражают отношением вязкости тела 1] к модулю упругости Е. Под вязкостью (внутренним трением) жидких тел понимают сопротивление их течению, а твердых — сопротивление развитию остаточной деформации под действием внешних сил.

 

 Если время воздействия на  жидкость деформирующей силы  значительно меньше периода релаксации, то жидкость ведет себя как  упругое твердое тело. Можно было  бы, например, ходить по воде, не  погружаясь в нее, если бы  время каждого шага не превышало  периода релаксации для воды, который составляет 10~15 с.

 

 Свойством, противоположным  упругости, является пластичность—способность материалов изменять под влиянием нагрузки без разрушения форму и размеры и сохранять их после прекращения воздействия нагрузки. Пластичность — важнейшее технологическое свойство, определяющее формуемость материалов. Характерными примерами пластичных материалов являются высококонцентрированные суспензии извести, цемента, гипса, глины и других минеральных веществ в воде, широко применяемых для изготовления строительных изделий. Пластичность таких суспензий тесно связана со свойствами тонких слоев воды, прилегающих к поверхности твердых частиц дисперсной фазы.

 

 При приложении нагрузки  выше предела упругости пластические  деформации развиваются в некоторых  кристаллических (металлы, сплавы  и др.) и аморфных (стекло, асфальт  и др.) материалах. Пластические деформации  кристаллических материалов вызываются  сдвигами внутри кристаллов, в  результате чего одна часть  кристалла перемещается по отношению  к другой, изменяет свою форму  и вытягивается в направлении  деформации. Пластический сдвиг  в кристаллах обусловлен перемещением  дислокаций.

 

 С повышением температуры  пластичность материалов возрастает. Она возрастает также с уменьшением  скорости деформирования, с переходом  от ковалентной к металлической связи. Для пластичных материалов по мере нагружения наступает период, когда пластические деформации продолжают развиваться несмотря на постоянное напряжение. Наименьшее напряжение, при котором материал деформируется без заметного увеличения нагрузки, называется пределом текучести. Текучесть — важнейшее свойство структурированных дисперсных систем, таких как цементное тесто, бетонная смесь, битумы, полимеры и др. Вязкость таких систем в отличие от обычных жидкостей редко изменяется под действием внешних сил.

 

 Для твердых материалов важным  механическим свойством является  ползучесть—медленное нарастание  во времени пластической деформации  материалов при силовых воздействиях, меньших чем те, которые могут вызвать остаточную деформацию при испытаниях обычной длительности. Скорость ползучести резко уменьшается с понижением температуры и уменьшением напряжения. Деформация ползучести материалов во многих случаях нежелательна, так как она может вызвать, например, увеличенные прогибы. При проектировании конструкций это надо учитывать.

 

 

Прочностные свойства. Завершающей стадией силового воздействия на материал является его разрушение. Способность материалов сопротивляться разрушению называется прочностью. Прочность характеризуется критическим напряжением, при котором наступает разрыв сплошности материала. Это напряжение называется пределом прочности. Предел прочности определяют обычно под действием статической нагрузки, нарастающей в течение нескольких минут. При изменении скорости роста нагрузки и характера ее приложения (например, повторно-переменная или динамическая нагрузка) прочность изменяется. Она может существенно изменяться также в зависимости от вида напряженного состояния (растяжения, сжатия, изгиба, кручения и др.).

 

 Определение предела прочности материалов производится на стандартных цилиндрических, кубических и других образцах.

 

 Из всех способов механических  испытаний наибольшее распространение  имеют испытания на растяжение  и сжатие. Испытания производят  с помощью специальных испытательных  машин и прессов с механическим  или гидравлическим приводом.

 Теоретическая прочность однородного  материала характеризуется напряжением,  необходимым для разделения двух  примыкающих друг к другу слоев  атомов. Она пропорциональна модулю  упругости и поверхностной энергии  твердого тела на 1 см2 и обратно пропорциональна межатомному расстоянию. Прочность реальных твердых тел в тысячи раз меньше прочности, рассчитанной для идеального кристалла. Это связано с дефектами в структуре, которые развиваются в процессе деформации и становятся местами концентрации напряжений. Прочность материалов уменьшается с увеличением их пористости, приводящей к уменьшению количества связей между структурными элементами и неравномерному распределению нагрузки.

 

 Характерным для прочности  реальных тел является так  называемый масштабный фактор  — зависимость прочности от  размеров тела. При стандартных  испытаниях материала на образцах  различных размеров для приведения результатов в сопоставимый вид используются переводные коэффициенты. Масштабный фактор объясняется в основном статистической природой процессов разрушения, связанной с влиянием неоднородностей макроструктуры и дефектов материала на процесс возникновения и развития трещин. С увеличением размеров образцов вероятность неоднородностей структуры возрастает и среднее значение предела прочности материала уменьшается.

 

3.4 Физические свойства строительных материалов.

Физические свойства характеризуются  параметрами состояния материалов или отношением их к действию физических факторов: воды, температуры, электрического тока, магнитного поля и др.

 

 Параметры состояния. Важнейшими  физическими параметрами состояния  материалов являются плотность и пористость.

 

 Плотность определяется отношением массы материала к его объему. Для строительных материалов различают истинную и среднюю плотность. Истинная плотность характеризует массу материала т в единице объема, взятого в абсолютно плотном состоянии, т. е. без пор и пустот , а средняя плотность — в единице объема с учетом последних

 

Для сыпучих материалов наряду со средней плотностью зерен определяют насыпную плотность, учитывающую межзерновую пустотность.

 

 Истинная плотность большинства неорганических материалов колеблется в диапазоне 2200—3300 кг/, для стали она составляет 7600—7900, сплавов алюминия 2600—2900, полиэтилена 910—970 кг/. Средняя плотность материалов изменяется в широком диапазоне, например, для наиболее легких пористых пластмасс она составляет 10—20 кг/, и для плотных — 2000 кг/и более.

 

 Регулирование средней плотности  достигается изменением пористости — объема пор в единице объема материала. Общую пористость можно найти по формуле :.

Пористость материалов оказывает существенное, а часто решающее влияние на ряд других свойств: тепло-, электропроводность, прочность, проницаемость и др. В широком диапазоне значений пористости ее влияние на свойства материалов описывается степенной функцией вида  

 . где и — величины, характеризующие свойства соответственно пористого и беспористого материала; — коэффициент (для предела прочности и для Ударной вязкости = )

Влияние пор на свойства материалов не только связано с их относительным  объемом, но и зависит также от их размера, формы, открытого или  закрытого характера поровых  каналов. Например, при равной общей  пористости материалы с большим  объемом закрытых пор являются более  морозостойкими. Увеличение объема открытых пор способствует повышению звукопоглощения. Строительно-технические свойства материалов улучшаются при мелкопористом  строении и равномерном распределении  пор. Для определения пористой структуры  материалов применяют методы, основанные на вдавливании в поры ртути, пропитке образцов жидкостью с последующим  ее вытеснением, откачивании воздуха  из пор и др.

 

 Для дисперсных материалов  важным параметром состояния  является удельная поверхность,  т. е. поверхность, отнесенная  к единице объема или массы  материала. Удельная поверхность 

изменяется обратно пропорционально  размеру частиц. Можно вычислить, например, для частиц шарообразной формы

где — радиус частицы.

 

 С увеличением удельной поверхности  материалов возрастает их внутренняя  энергия и реакционная способность.  Удельную поверхность дисперсных  материалов измеряют определением  сопротивления слоя порошка проходящему  току воздуха, а также адсорбционным  и другими методами.

Гигроскопичность - способность материалов поглощать влагу из воздуха. Гигроскопичность зависит от химического состава  материала и характера его  пористости. Одни материалы энергично  притягивают своей поверхностью молекулы воды (их называют гидрофильными), другие отталкивают воду (их относят  к гидрофобным). Последние стойко сопротивляются действию водной среды. Материалы с одинаковой пористостью, но имеющие более мелкие поры и капилляры, оказываются более гигроскопичными, чем крупнопористые.

 

При применении пористых теплоизоляционных  материалов необходимо учитывать, что  в определенных эксплуатационных условиях (повышенная влажность) за счет повышенной их гигроскопичности может увеличиться  теплопроводность ограждающих конструкций  зданий.

 

Гигроскопическая влага находится  в адсорбционносвязанном состоянии и удерживается в порах материала. Однако после прекращения контакта материала с окружающей влажной средой гигроскопическая влага частично или полностью испаряется.

 

Влажность материала определяется содержанием влаги, отнесенной к  массе материала в сухом состоянии. Влажность зависит как от свойств  самого материала (пористости, гигроскопичности), так и от окружающей его среды (влажность воздуха, наличие контакта с водой). Влажность учитывают при транспортировке, хранении и приемке материалов по массе. Она влияет на теплопроводность, устойчивость к гниению и некоторые другие свойства материалов.

 

Водопоглощение - способность материала впитывать воду и удерживать ее. Величина водопоглощения определяется разностью массы образца в насыщенном водой и абсолютно сухом состояниях. Различают объемное водопоглощение, когда указанная разность отнесена к объему образца, и массовое водопоглощение, когда эта разность отнесена к массе сухого образца.

 

Водопоглощение различных материалов колеблется в широких пределах. Например, массовое водопоглощение керамических плиток для полов не выше 4 %, керамического кирпича - 8-20, тяжелого бетона -2-3, гранита - 0,3-0,8, а пористых теплоизоляционных материалов (торфоплит) - выше 100 %.

 

Насыщение материалов водой отрицательно влияет на их основные свойства: увеличивает  среднюю плотность и теплопроводность, понижает прочность.

 

Влагоотдача - свойство материала  отдавать влагу окружающему воздуху, характеризуемое количеством воды (в процентах по массе или объему стандартного образца), теряемой материалом в сутки при относительной  влажности окружающего воздуха 60 % и температуре 20 °С.

 

Величина влагоотдачи имеет  большое значение для многих материалов и изделий, например, стеновых панелей  и блоков, мокрой штукатурки стен, которые  в процессе возведения здания обычно имеют повышенную влажность, а в  обычных условиях благодаря влагоотдаче  высыхают. Вода испаряется до тех пор, пока не установится равновесие между  влажностью материала стен и влажностью окружающего воздуха, т. е. пока материал не достигнет воздушно-сухого состояния.

 

Водостойкость - способность материала сохранить свою прочность после насыщения водой. Она характеризуется коэффициентом размягчения, который определяется как отношение предела прочности (при сжатии) материала в насыщенном водой состоянии к пределу прочности в сухом состоянии. Коэффициент размягчения для разных материалов колеблется от 0 (необожженные глиняные материалы) до 1 (стекло, сталь, битум). Мате­риалы с коэффициентом размягчения не менее 0,8 относят к водостойким. Их разрешается использовать в строительных конструкциях, находящихся в воде и в местах с повышенной влажностью.