Материаловедение и технология конструкционных материалов для строительства* Конспект лекций (стр. 4 )

_ при одном сосредоточенном грузе, расположенном посереди­не образца-балочки прямоугольного сечения (рис.3а):

;

_ при двух одинаковых грузах, расположенных на одинаковом расстоянии от середины балочки (рис.3б):

,

где Рразр – разрушающая нагрузка, Н (кгс); l ─ расстоя­ние между опорами балочки, мм (см); a  ─ рас­стояние между двумя грузами, мм (см); b и h ─ ширина и высота балочки в поперечном сечении, мм (см).

При последняя формула упрощается:

.

Рис. 3. Схемы испытаний на изгиб:

а – при одном сосредоточенном грузе; б – при двух одинаковых грузах

Твердость – свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого, материала. Твердость каменных материалов, стекла оценивают с помощью шкалы твердости Мооса, состоящей из 10 минералов, расположенных по степени возрастания их твердости  (1 – тальк, …10 – алмаз).

Ударная вязкость (ударная или динамическая прочность) – свойство материала сопротивляться ударным нагрузкам. Она характеризуется количеством работы, затраченной на разрушение стандартного образца на специальных приборах, называемых копрами, отнесенной к единице объема (Дж/см3).

Сопротивление истиранию – свойство материала сопротивляться истирающим воздействиям. Это свойство характеризуется истираемостью – потерей массы при истирании образца на кругах истирания, отнесенной к его площади (г/см2).

Одновременное воздействие истирания и удара характеризует износостойкость материала. Это свойство определяют при испытании образцов в полочных барабанах.

1.4. Понятие о композиционных материалах

На современном этапе развития науки о строительных материалах на базе достижений фундаментальных наук и под влиянием технических и социальных факторов сформировалось научное строительное материаловедение (НСМ) как фундаментальная наука прикладного характера. Основополагающими постулатами НСМ явились осознание композиционной природы материалов, восприятие их как строительных композитов.

Композиционные материалы представляют собой гетерофазные системы, получаемые из двух или более компонентов с различными функциями. Один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объему, является матрицей или связующим веществом. Другой компонент – прерывный (дискретный), разделенный в объеме композиции, – является упрочняющим (армирующим) или выполняющим другую функцию (изоляционную, защитную и т. д.). Матричными материалами могут быть неорганические и органические вяжущие, полимеры, керамика, металлы и их сплавы. В качестве упрочняющих компонентов выступают волокнистые материалы различной природы, а также тонкодисперсные порошкообразные частицы или более крупные зерна. На каждом уровне изучения структуры сложного композита можно выделить матричный и дискретный (например, упрочняющий) компоненты.

  В композиционных материалах – композитах разнородные компоненты создают синергетический эффект – новое качество материала, отличное от свойств исходных компонентов, т. е. когда «целое больше, чем сумма составных частей». В конструкционных композитах  главное – это достижение высокой удельной прочности (коэффициента конструктивного качества), высокой коррозионной стойкости, эксплуатационной надежности и долговечности.

По мере развития строительного материаловедения как фундаментальной науки о строительных материалах проникновение в структуру композиционных материалов становится магистральным направлением развития науки о материалах, причем  изучение проблемы формирования прочности материалов как дисперсных структур базируется на стыке таких фундаментальных наук, как физическая и коллоидная химия, механика сплошной среды и структурная теория разрушения. При этом очевидно, что для понимания синтеза прочности и регулирования деформативности структур помимо химических процессов необходимо уделять должное внимание явлениям физического и физико-химического характера, в том числе на стадии приготовления сырьевых смесей.

Известно, что из трех составляющих прочности композитов: прочности заполнителя, матрицы и контактного слоя – особое значение имеет прочность контактного слоя. При этом контактный слой – это не только прочность в обычном понимании, но и проницаемость, морозостойкость и ряд других свойств, связанных с долговечностью и надежностью материала. Состав и структура тонких контактных слоев отличаются от состава и структуры основного цементирующего вещества (а тем более заполнителя), хотя различие в качестве приповерхностного слоя и объема цементирующего вещества является не скачкообразным, а плавным. Согласно структурной теории разрушения состояние материала по мере возрастания нагрузки рассматривается проходящим через три стадии: I стадия характеризуется тем, что действующая нагрузка меньше критической и возможные микротрещины концентрируются в контактном слое, но в длину не растут; II стадия – контактные трещины устойчиво растут в длину, что сопровождается значительным ростом ширины их раскрытия; III стадия – трещины выходят в матрицу, что завершается образованием магистральной трещины, приводящей к разрушению материала.  Таким образом, примат отдается контактной зоне композита, причем наиболее важно знать предысторию его разрушения, которая, в свою очередь, во многом наследуется из начальных этапов структурообразования дисперсных структур. Временные структуры, возникающие на этих этапах, являются диссипативными (по Пригожину), т. е. такими, которые характеризуются рассеянием энергии и ее переходом из одной формы в другую. Очевидно, что к таким структурам в полной мере относятся капиллярные структуры, возникающие в сырьевых смесях строительных материалов (см. п.1.1).

2. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ СЫРЬЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Основным природным сырьем для производства строительных материалов являются горные породы. Их используют для изготовления керамики, стекла, металла, неорганических вяжущих веществ. Сотни кубометров песка, гравия и щебня применяют ежегодно в качестве заполнителей для бетонов и растворов.

Другим важным сырьевым источником являются техногенные вторичные ресурсы (отходы промышленности). Пока они используются недостаточно. Но по мере истощения природных ресурсов, повышения требований к охране окружающей среды и разработки новых эффективных технологий техногенное сырье будет применяться значительно шире.

2.1. Горные породы как сырьевая база производства  строительных материалов

Горные породы – это значительные по объему скопления минералов в земной коре, образовавшиеся в результате физико-химических процессов.

Минералы – это вещества, являющиеся продуктами физико-химических процессов в земной коре и обладающие определенным химическим составом, однородным строением и характерными физико-механическими свойствами.

По условиям образования горные породы разделяют на три основные группы.

Магматические (первичные) горные породы образовались при охлаждении и отвердевании магмы.

Осадочные (вторичные) горные породы образовались в результате естественного процесса разрушения первичных и других пород под влиянием механического, физического и химического воздействия внешней среды.

Метаморфические (видоизмененные) горные породы образовались в результате последующего изменения первичных и вторичных пород, связанного со сложными физико-химическими процессами в земной коре (давлением, температурой и т. п.).

2.1.1. Магматические горные породы

Они могут быть: а) глубинными (интрузивными); б) излившимися (эффузивными). Глубинные – это породы, образовавшиеся при застывании магмы на разной глубине в земной коре. Излившиеся породы образовались при вулканической деятельности, излиянии магмы и ее затвердении на поверхности.

Главные породообразующие минералы – кварц (и его разновидности), полевые шпаты, железисто-магнезиальные силикаты, алюмосиликаты. Все эти минералы отличаются друг от друга по свойствам, по­этому преобладание в породе тех или иных минералов меняет ее строительные свойства: прочность, стойкость, вязкость и способ­ность к обработке (к полировке, шлифовке и т. п.).

Кварц, состоящий из кремнезема (диоксида кремния SiО2) в кри­сталлической форме, является одним из самых прочных и стойких минералов. Он обладает: исключительно высокой прочностью (при сжатии до 2000 МПа); высокой твердо­стью, уступающей только твердости топаза, корунда и алмаза; высокой кислотостойкостью и вообще химической стой­костью при обычной температуре; высокой огнеупорностью (плавится при температуре 1700°С). Цвет кварца чаще всего молоч­но-белый, серый. Благодаря высокой прочности и химической стойкости кварц остается почти неизменным при выветривании магматических пород, в состав которых он входит. Поэтому кварц является также одним из наиболее встречающихся  ми­нералов и в осадочных породах.

Полевые шпаты – это самые распространенные минералы в магматических породах (до 2/3 от общей массы породы). Они представляют собой, так же как и кварц, светлые составные части пород (белые, розоватые, красные и т. п.). Главными разновидно­стями полевых шпатов являются ортоклаз и плагиоклазы. По сравнению с кварцем полевые шпаты обладают значитель­но меньшими прочностью (120-170 МПа на сжатие) и стойкостью, поэтому они реже встречаются в осадочных породах (главным образом, в виде полевошпатовых песков). Выветривание полевых шпатов происходит под влиянием воды, содержащей углекисло­ту. Результатом выветривания является глинистый минерал – каоли­нит.

К цветным (темноокрашенным) минералам, встречающимся в магматических породах, относятся железисто-магнезиальные и магнезиальные силикаты и некоторые алюмосиликаты.