Вопросы для самоконтроля

1. Понятие и структура жидкости.

2. Приведите классификацию жидкостей.

3. Опишите структуру воды и льда.

4. Дайте понятие и классификацию жидких растворов.

5. Понятие, состав, свойства, классификация и применение дисперс-ных систем.

Тема 5. СВОЙСТВА И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Вопросы темы:

1. Понятие свойства строительных материалов. Физические свойства строительных материалов.

2. Механические свойства строительных материалов.

3. Долговечность строительных материалов, способы ее прогнозирования.

Изучение строительных материалов невозможно без знания сырья, его вещественного состава, технологических свойств. Знание этих показателей позволяет выбирать и применять материалы по назначению, а также целенаправленно влиять на их свойства.

В процессе эксплуатации зданий и сооружений элементы их конструкции воспринимают те или иные нагрузки, а также другие воздействия окружающей среды. Эти воздействия вызывают в материалах, из которых изготовлены данные конструкции, определенные напряжения и деформации. Иначе говоря, строительный материал конструкций должен противостоять внешним воздействиям благодаря своим свойствам.

Большинство строительных материалов и изделий имеют ряд общих свойств, методы определения которых сходны.

Основные свойства строительных материалов.

Все основные свойства строительных материалов можно разделить на две группы – физические и механические. Отдельную группу составляют свойства материалов, определяющих их коррозионную стойкость, которые обусловливаются тесным переплетением физических, механических и химических процессов. Эти важные свойства должны учитываться при строительстве, поскольку ремонт конструкций, подвергнутых коррозии в зданиях и сооружениях, обходится очень дорого и может превысить первоначальную стоимость.

1. Физические свойства. Сюда входит очень много свойств, которые в свою очередь могут быть объединены в отдельные подгруппы:

– удельные характеристики массы: истинная плотность, средняя плотность, насыпная плотность;

– пористость (важное свойство, от которого зависят многие другие);

– дисперсность порошкообразных материалов (в частности, тонкость помола вяжущих веществ);

– гидрофизические – водостойкость, гигроскопичность, водопоглощение, водопроницаемость, паро- и газопроницаемость, морозостойкость;

– теплотехнические – теплопроводность, теплоемкость, огнестойкость, коэффициент температурного расширения;

– акустические (звукоизоляционные, звукопоглощающие)

и другие.

Истинная плотность – масса единицы объема абсолютно плотного материала (без учета пор и пустот). Обозначается _ис и определяется по формуле

_ис = m/v_аб,[ кг/м³], (5.1)

где m – масса материала, кг; v_аб – объем материала в абсолютно плотном состоянии, м³.

Поскольку объем материала в абсолютно плотном состоянии определить очень трудно (а то и невозможно), практически истинную плотность определяют пикнометрическим способом, с методикой которого состоится знакомство на лабораторных занятиях.

Истинная плотность большинства каменных материалов составляет 2200…3300 кг/м³; органических – 900…1600 кг/м³, металлов – 7200…7850 кг/м³.

Средняя плотность – масса единицы объема материала в естественном состоянии (включая имеющиеся в нем поры и пустоты). Определяется по аналогичной формуле (_ср).

Средняя плотность всегда меньше истинной. Она колеблется в очень широких пределах: от 15 кг/м³ (газонаполненные пластмассы) до 7850 кг/м³ (сталь).

Насыпная плотность – отношение массы зернистых материалов к занимаемому ими объему, включая пространство между частицами.

Большинство материалов имеет насыпную плотность 1200…1400 кг/м³.

Пористость – величина, характеризующая степень заполнения материала порами. Различают общую, открытую и закрытую пористость. Расчетно-экспериментальный метод предполагает следующую формулу для расчета общей пористости:

(5.2)

Открытая пористость определяется отношением суммарного объема пор, насыщающихся водой, к объему материала (рис. 5.1):

(5.3)

где m^в и m^с – масса сухого и насыщенного водой материала соответственно; _в – плотность воды, равная 1 г/м³.

Рис. 5.1. Прибор для экспрессного определения открытой пористости

Закрытая пористость

П_з = П – П_от. (5.4)

К 3-й подгруппе физических свойств относится дисперсность порошкообразных материалов. Некоторые материалы приобретают требуемые свойства после их тонкого измельчения. Это прежде всего относится к вяжущим веществам. Их дисперсность характеризуется так называемой тонкостью помола. Эта величина определяется остатком на специальном сите и характеризуется удельной поверхностью, которая для цемента равна 2500 – 3500 см²/г.

Наиболее важными из 4-й подгруппы свойств строительных материалов являются водопоглощение, морозостойкость и водостойкость.

Водопоглощение – процентное содержание воды, которое может поглотить материал за определенное время. Этот показатель определяют по объему и массе, соответственно

(5.5)

(5.6)

Водопоглощение строительных материалов составляет 0,02…0,70 % у гранита, 100 % и более – у древесины.

Водостойкость – способность строительных материалов не снижать свою прочность в воде. Определяется коэффициентом размягчения, который имеет важное практическое значение:

К_р = R^в/R^с. (5.7)

Для стенового материала, например, этот показатель в соответствии со стандартом должен быть не менее 0,8.

Морозостойкость – важнейшее свойство материала стеновых и ограждающих конструкций. Это способность строительного материала выдерживать без разрушения переменное замораживание и оттаивание в насыщенном водой состоянии. Количественно морозостойкость оценивается маркой по морозостойкости, численно равна количеству циклов замораживания и оттаивания, которое выдерживает материал без определенной потери массы и прочности. Определяется обычным и ускоренным методом по действующим гос. стандартам. Величина морозостойкости составляет от 15 (легкие бетоны) до 500 (гидротехнический бетон).

Гигроскопичность – свойство строительных материалов поглощать водяной пар из воздуха и насыщаться водой. Этот физико-химический процесс связан с адсорбцией молекул воды на стенках пор и капилляров.

Водо-, паро-, газопроницаемость – эти три свойства определяются для специальных изделий и конструкций, работающих в специфических условиях (гидротехнические сооружения, газохранилища и т.п.). Численно характеризуются: водопроницаемость – коэффициентом фильтрации К_ф (чем ниже К_ф, тем выше марка по водопроницаемости); газопроницаемость – коэффициентом газопроницаемости К_г (характеризует степень прохождения газа сквозь определенную стенку под давлением).

Последняя подгруппа физических свойств – теплотехнические свойства. Из них важнейшим является теплопроводность, т.е. способность проводить тепло. Характеризуется коэффициентом теплопроводности, от величины которого зависит толщина ограждающей или несущей конструкции (стены) и соответственно вес всего здания или сооружения.

Коэффициент теплопроводности определяется для каждого материала экспериментально. Подумайте, как это свойство связано с другими, такими, как пористость или гидрофизические свойства.

Теплоемкость – определяется количеством тепла, которое необходимо сообщить 1 кг материала, чтобы повысить его температуру на 1 °С (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Теплоемкость твердого тела С_v, ккал/моль·град

Огнестойкость – способность материала сопротивляться воздействию открытого огня в течение определенного времени. Существует 3 класса строительных материалов по огнестойкости: несгораемые (растрескиваются и деформируются при 600 °С и выше); трудносгораемые (тлеют на огне и перестают – после снятия с огня); сгораемые (горят открытым пламенем).

2. Механические свойства. В процессе эксплуатации на строительные конструкции оказывают воздействие разного рода факторы (переменные нагрузки, перепады температуры и влажности окружающего воздуха и др.). Эти факторы вызывают в материале внутренние структурные напряжения, что сопровождается его деформациями. В связи с этим строительство зданий и сооружений требует точного знания прочностных и деформативных характеристик применяемых материалов, называемых механическими свойствами. К ним относят прочность, деформативные характеристики (упругость, пластичность, хрупкость, твердость и другие), сопротивление удару и износу.

Одним из главных показателей строительных материалов является прочность – способность материала сопротивляться разрушению от воздействия внутренних напряжений, вызванных внешними факторами (нагрузка, неравномерный нагрев, усадка и др.). Прочность материала оценивают пределом прочности при сжатии, растяжении и изгибе испытаниями на гидравлическом прессе (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Пресс для определения механических свойств материалов

Предел прочности при осевом сжатии

R_сж = Р/F; кг/см², (5.8)

где Р – разрушающая нагрузка, кг; F – площадь образца, к которой эта нагрузка была приложена, см².

Предел прочности при изгибе определяют по формуле

(5.9)

где Р – разрушающая нагрузка, кг; L – расстояние между опорами, см (согласно схеме); b – толщина образца, см; h – высота образца, см.

Одни материалы хорошо работают на сжатие, другие хорошо сопротивляются изгибу. Но, как правило, у большинства строительных материалов первый показатель значительно превосходит второй. Например, для бетона характерно отношение R_из/R_сж = 1/10….1/15.

В соответствии со значениями прочности стройматериалы подразделяются на марки и классы по прочности.

Важную роль играет такой показатель, как коэффициент конструктивного качества,

(5.10)

Деформативные характеристики. Упругость – способность материала изменять свою форму, не разрушаясь под действием внешней силы, и самопроизвольно восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешних сил, т.е. упругая деформация полностью исчезает после прекращения внешнего воздействия.

Пластичность – способность материала изменять свою форму и размеры под действием внешней силы и не восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешних сил, т.е. в теле остается некоторая остаточная деформация, которая называется пластической.

Можно рассчитать так называемую относительную деформацию  как отношение максимальной упругой деформации (абсолютной) L к первоначальному линейному размеру L:

 = L/L. (5.11)

Коэффициентом пропорциональности между возникающим напряжением и относительной упругой деформацией в материале является модуль упругости (модуль Юнга):

Е = R/, [МПа]. (5.12)

Хрупкость – свойство материала без остаточных деформаций разрушаться под действием мгновенно приложенных механических усилий. Хрупкость присуща большинству строительных материалов.

Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого материала. Оценку твердости можно осуществить с помощью шкалы Мооса, где представлены 10 минералов, которые расположены таким образом, что каждый последующий минерал царапает предыдущие. Существует также метод определения твердости посредством вдавливания какого-нибудь индентора (шарик, конус, пирамида) и последующего определения по отпечатку числа твердости (HB = P/F). Кстати, таким методом можно определить и прочность.

От твердости материалов зависит и их истираемость: чем выше твердость, тем меньше истираемость. Ее оценивают отношением потери первоначальной массы образца к поверхности истирания:

, [г/см²], (5.13)

где m₁ и m₂ – масса образца до и после испытания соответственно; F – площадь истирания.

Сопротивляемость удару и износу – эти свойства материалов испытываются на специальных установках. Износостойкость – способность сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов. Измеряется потерей массы в процентах от первоначальной.

Все свойства строительных материалов определяются по специально разработанным методикам в соответствии с действующими нормативными документами (ГОСТы и инструкции).

Непрерывный контроль сырьевых материалов, технологических процессов, полуфабрикатов и готовой продукции является основой получения материалов заданного качества. Информация, получаемая в процессе контроля, необходима для оценки качества материалов, автоматизации производства и управления им.

От качества и характеристик материала зависит долговечность изделия или конструкции. Долговечность – это способность материалов и изделий сохранять работоспособное состояние в течение заданного срока эксплуатации. Долговечность определяется интенсивностью развития деструктивных процессов, протекающих в конструкции. Деструктивные процессы являются результатом воздействия на материал различных по виду агрессивных сред. Полностью учесть факторы, обусловливающие протекание деструктивных процессов, не всегда возможно. Обычно устанавливают основные причины, которые могут вызвать снижение долговечности строительных конструкций при их эксплуатации.

Рассмотрим проблему долговечности и коррозионной стойкости изделий и конструкций, изготовленных из железобетона, в частности вопросы сульфатной коррозии и методы испытаний изделий из минеральных вяжущих на сульфатостойкость.

Сульфаты содержатся в большинстве природных вод, а также в технологических водах промышленных предприятий. Основной характеристикой жидких агрессивных сред при сульфатной коррозии бетона является наличие в них ионов SО^4-, которое колеблется в пределах от сотен миллиграмм до десятков грамм на литр. Скорость процесса сульфатной коррозии зависит от катионного и анионного состава жидких сред, показателя рН, температуры агрессивной среды и других факторов.

Сущность сульфатной коррозии бетона состоит в разрушении цементного камня от растягивающих напряжений, вызванных кристаллизацией в ограниченном поровом пространстве сульфосодержащих гидратных новообразований при взаимодействии ионов сульфата агрессивного раствора с компонентами затвердевшего цементного камня.

Бетон представляет собой капиллярно-пористый искусственный композиционный материал. В связи с этим интенсивность коррозии бетона под воздействием сульфосодержащих жидких сред зависит от минералогического состава клинкера, вида добавок, пористости бетона, распределения пор и других факторов.

Состав цементного камня в бетоне представлен в основном гидратированными минералами клинкера – гидросиликатами, гидроалюминатами, гидроалюмоферритами, гидросульфоалюминатами кальция и портландитом. При контакте сульфатного раствора с бетоном происходит диффузия ионов SО₄ ^2- в толщу бетона и их взаимодействие с продуктами гидратации цемента. Химические реакции, иллюстрирующие процесс сульфатной коррозии, имеют следующий вид:

Са²⁺ + SО₄^2– + 2Н₂О = СаSО₄2Н₂О (5.14)

6Са²⁺ + 3SО₄^2– + 2Аl(ОН)₄ ^– + 4ОН ^– + 26Н₂О = 3СаОАl₂О₃3СаSО₄32Н₂О (5.15)

Считается, что продукты сульфатной коррозии представлены преимущественно эттрингитом и двуводным гипсом. В действительности состав продуктов и механизм процесса намного сложнее. Образование эттрингита сопровождается более чем двухкратным увеличением объема твердой фазы. Его кристаллизация в порах цементного камня приводит к возникновению внутренних напряжений и разрушению затвердевшего конгломерата. Визуально наличие деструктивных процессов определяют по возникновению трещин в бетоне, а с использованием приборов – по увеличению размеров и снижению прочностных показателей образцов или конструкций. Это происходит при деформациях около 0,1…0,3 %.

Скорость коррозионного процесса зависит от скорости поступления сульфатных ионов в бетон и скорости химической реакции. В реальных условиях сульфатная коррозия бетона в основном зависит от скорости поступления ионов SО₄^2–.

Многочисленные исследования сульфатной коррозии бетона не дали окончательного ответа относительно механизма данного процесса и только представляют ориентировочную его схему (рис. 5.4). Одними из основных причин, затрудняющих комплексное исследование коррозионного процесса, являются несовершенство методик и длительность испытаний для оценки сульфатостойкости. Если в натурных испытаниях указанных трудностей не избежать, то для лабораторных исследований возможно создание надежного стандартизованного метода определения сульфатостойкости изделий.

Опубликованные в технической и патентной литературе способы определения сульфатостойкости могут быть отнесены к одной из четырех групп. В основу деления положен фактор ускорения процесса коррозии бетона.

Рис. 5.4. Схема сульфатной коррозии искусственного камня

К первой группе относятся методы, в которых ускорения процессов коррозии достигают увеличением реагирующей поверхности. Испытания проводят с измельченным цементным камнем, с образцами небольших размеров (например, 1х1х6, 2х2х2 см или в виде пластин). О скорости коррозии судят по результатам химического анализа твердой и жидкой фаз, а также удлинению и изменению прочности образцов.

Ко второй группе отнесены методы, в которых предусматривают фильтрацию агрессивного раствора под давлением через опытный образец. Критерии оценки скорости коррозии те же, что и в первой группе.

В третью группу включены методы, суть которых заключается в применении агрессивного раствора высокой концентрации.

К четвертой группе отнесены методы, основанные на изучении осмотического давления в порах цементного камня, и методы исследования структуры материала при переменном увлажнении и высушивании.

Все эти методы (а их разработано более 100) имеют существенные недостатки:

– длительное время испытаний (достигающее двух-трех лет);

– применение агрессивных растворов высоких концентраций;

– использование образцов небольших размеров из цементного камня или цементно-песчаного раствора, что позволяет оценить сульфатостойкость вяжущего, а не бетона реальной структуры.

Ниже рассмотрены три метода из первой группы.

Методом НИИЖБ определяют сульфатостойкость вяжущего – цемента. Для этого изготовляют образцы размером 1х1х6 см из цементно-песчаного раствора в соотношении 1:3. Через 28 сут водного твердения часть образцов помещают в раствор сульфата натрия концентрацией 10 г/л. Смену агрессивного раствора производят при снижении исходной концентрации более чем на 10 %. После 56 сут, 6 мес, одного года и двух лет испытаний определяют прочность при изгибе образцов, находящихся в растворе Nа₂SО₄ и в воде. Цемент считается сульфатостойким, если отношение R^Р_из к R^В_из (коэффициент стойкости) в возрасте 56 сут составляет не менее 0,9, для срока 6 мес и более – 0,8. Недостатками данного метода являются: использование малых образцов, создание повышенной концентрации раствора и длительные сроки испытаний.

Метод СЭВ (Болгария, Венгрия и Польша) предполагает изготовление цементно-песчаных образцов в соотношении 1:3 с В/Ц = 0,5 размером 1 х 4 х 16 см. Их пропаривают 24 ч, после чего помещают в 4,4%-й раствор сульфата натрия. Показателем коррозионного состояния является удлинение образцов (l), которое определяют, начиная с 28-суточного возраста, через каждые 7 сут с одновременной сменой раствора. Если l меньше 0,02 мм/м (0,02%), то цемент считают сульфатостойким; если уд-линение больше 1,0 мм/м – несульфатостойким. Определить сульфатостойкость бетона реальной структуры этими методами невозможно. Кроме того, при содержании С₃А в клинкере менее 5 % этими методами нельзя выявить наличие или отсутствие коррозии.

Метод БГТУ им. В.Г. Шухова имеет существенные отличия: во-первых, – применение раствора, содержащего комплекс ионов SО₄^2–, во-вторых, – значительное сокращение сроков испытаний и возможность контроля сульфатостойкости бетонов реальной структуры.

Согласно этому методу формуют образцы мелкозернистого бетона размером 4х4х16 см и после установленного режима твердения помещают в агрессивный раствор. Через 1, 3, 7, 10, 14 и далее после каждых 7 сут определяют линейные размеры. По достижении удлинения более 0,1 % образцы испытывают на прочность при изгибе и сравнивают полученный коэффициент стойкости с таковым для образцов на эталонном сульфатостойком цементе.

Практика испытаний по данному способу показывает, что время испытания сокращается в 2…10 раз и не превышает 6 мес даже при применении сульфатостойкого цемента. Методические аспекты способа: агрессивный раствор в процессе эксперимента не меняют, для изготовления образцов используются смеси с заполнителем крупностью до 10 мм.

Этот метод запатентован в 1983 г. За истекшее время его применения получена информация, уточняющая известные положения о процессе сульфатной коррозии, и предложена схема ее протекания (рис. 5.5). При контакте цементного камня с сульфатным раствором ион SO₄^2– проникает в поры и капилляры бетона. Между агрессивным раствором и жидкой фазой твердеющего цемента устанавливается реакционная зона (фронт), где протекают обменные химические реакции. Величина рН изменяется в пределах зоны реакции от слабокислой до щелочной с рН = 12,5. Изменение концентрации ионов SO₄^2– имеет обратную зависимость. На передней линии фронта реакции в области рН = 10,5…12,0 термодинамически наиболее предпочтительно образование эттрингита по реакции (5.15).

Рис. 5.5. Зональная схема сульфатной коррозии

Реакционная зона (фронт) перемещается в сторону поровой жидкости, поэтому в области, лежащей ближе к сульфатному раствору, эттрингит становится неустойчивой фазой и может разлагаться с образованием двуводного гипса. C увеличением времени коррозии имеет место продвижение реакционного фронта в глубь цементного камня и бетона, что влечет за собой повышение концентрации ионов SO₄^2– по сравнению с жидкой фазой твердеющего цемента.

Установлено, что в определенные периоды возможно образование твердофазовой перегородки в зоне реакции, создающей препятствие на пути диффузии ионов SO₄^2–. В этом случае через перегородку диффундируют ионы кальция и идет рост кристаллов гипса в направлении агрессивного раствора, т.е. в обратную сторону. Такая картина наблюдается при испытании на сульфатостойкость по новой методике. Во всех других случаях, в том числе и в реальных условиях, реакционный фронт продвигается только в глубь цементного камня. Кристаллизация эттрингитоподобной фазы в ограниченном объеме порового пространства идет со значительным увеличением объема твердой фазы и приводит к появлению существенных внутренних напряжений, которые являются причиной разрушения цементного камня и бетона. Механизм передачи напряжений кристаллами новообразований остается до настоящего времени не выясненным.

Сульфатостойкость возрастает с увеличением сроков предварительного твердения бетона до момента контакта с агрессивной средой, при введении в бетон поверхностно-активных добавок, при карбонизации бетона или наличии бикарбонат-ионов в агрессивной среде, при снижении в составе цементного камня количества АFm-фаз, при замене части кальция в клинкере на барий.

Сульфатостойкость бетона снижают добавки неорганических солей, образующих комплексные кальциевые соли – аналоги АFm-фаз, тепловлажностная обработка; содержание в агрессивном растворе ионов, которые увеличивают растворимость гидратов; увеличение концентрации и давления агрессивного раствора.

В реальных условиях эксплуатации коррозионный процесс зависит от скорости диффузии ионов SO₄^2– в толщу бетона, т.е. процесс идет с диффузионным контролем, что предопределяет направленность исследований и принятие технических решений по увеличению срока службы зданий и сооружений. Изготовление качественных и долговечных бетонных изделий и конструкций снижает материальные и энергетические затраты на ремонтные и восстановительные работы в строительстве. Применение в практике способов испытания изделий из минеральных вяжущих на сульфатостойкость позволяет увеличить наши знания о закономерностях коррозионных процессов и будет способствовать повышению долговечности бетонных конструкций.