Архит._материал._-_Шеина_Ч1

4.6 Химические свойства

Химические свойства характеризуют способность материала к химическим превращениям под воздействием веществ, с которыми он находится в соприкосновении. Эта группа свойств выражает способность и степень активности материала к химическому взаимодействию с реагентами внешней среды и, кроме того, способность сохранять постоянный состав и структуру материала в условиях инертной окружающей среды.

К ним относят химическую активность, коррозию, растворимость, когезию и адгезию.

Химическая активность – это способность материала вступать в химическое взаимодействие с веществами окружающей среды или изменять свой состав и структуру со временем под влиянием таких воздействий, как солнечная радиация и температура.

В окружающей конструкцию воздушной или водной среде содержатся растворенные вещества, например, СО2 и SО3, образующие кислоты, могут присутствовать щелочи NаОН, КОН и т.д., а также соли различных кислот. Многие из них обладают высокой химической активностью и, взаимодействуя с компонентами строительного материала, образуют новые вещества, появление которых может оказывать положительное или отрицательное действие на материал. Например, углекислота, взаимодействуя с Са(ОН)2 строительных растворов, образует СаСО3, который способствует росту его механической прочности. Наоборот, избыток СО2 в воде, окружающей бетонную конструкцию, может вызвать ее полное разрушение вследствие взаимодействия содержащейся в цементном камне СаО с образованием растворимого Са(НСО)3.

Самым опасным врагом для многих памятников архитектуры стал смог. За каких-нибудь полсотни лет этот вредоносный спутник промышленного города нанес храмовым постройкам Акрополя в Афинах большой ущерб, чем все остальные беды за предшествующие две с половиной тысячи лет. Содержащийся в смоге диоксид серы даже при минимальной влажности разъедает мрамор, превращая его в гипс. В 1979 г. кариатид сняли с храма Эрехтейон и перенесли в небольшой археологический музей Акрополя. Массивные трехметровые женские фигуры были заключены в герметический стеклянный куб, наполненный газообразным азотом, который предотвращает дальнейшее превращение мрамора в гипс и его разрушение. Кариатиды будут храниться в азотной «оболочке» до тех пор, пока не построят новое здание музея с подходящими климатическими условиями.

Многие растительные масла, взаимодействуя с кислородом воздуха, окисляясь, полимеризуются, чем объясняется «высыхание» масляных красок. Во многих полимерных материалах процесс укрупнения молекул под действием солнечной радиации, кислорода воздуха и температуры продолжается и после изготовления из них изделий, что приводит к их «старению» – переходу из одного физико-химического состояния в другое с изменением свойств и прочностных характеристик.

Способность к химическому взаимодействию определяется химическим составом и структурой вещества. Так, кристаллическая кремниевая кислота в виде минерала кварца, обладающая большой ионной плотностью ( Р = 0,474),

51

вступает в химическое взаимодействие со щелочами только при высоких температурах, тогда как аморфная кремневая кислота, имеющая малую ионную плотность (Р = 0,6396), может взаимодействовать со щелочами при комнатной температуре. Механическое разрушение кристаллов также может временно увеличивать химическую активность веществ.

Особо важной для строительных материалов является их способность к химическому взаимодействию с водой – гидратации (присоединение воды) и гидролизу (расщеплению водой с общей тенденцией образования исходных продуктов). При гидратации строительного гипса (взаимодействие порошка СаSО40,5Н2О и Н2О) происходит изменение кристаллической структуры с образованием быстротвердеющего гипсового камня. Процессы гидролиза и гидратации играют большую роль при твердении портландцемента, а количество связанной воды в кристаллогидратах оказывает существенное влияние на свойства цементного камня. При одинаковом В/Ц цементный камень будет тем плотнее, чем большая часть воды затворения будет связана в кристаллогидратах, а значит он будет менее водо- и газопроницаемым и более стойким против внешних воздействий.

Растворимость – это способность веществ образовывать молекулярные или ионные дисперсии в соответствующих средах. Для минеральных веществ такой средой является вода, для органических веществ – бензин, спирт, скипидар и т.д. Мерой растворимости веществ является их концентрация в насыщенном растворе в г/л. Растворимость веществ зависит от количества в них модифицирующих катионов и их валентности, а также от величины энергии связи катионов с окружающими их анионами; температуры (пропарка или электропрогрев позволяет во много раз ускорить процесс формирования цементного камня в бетоне); структуры (аморфные вещества более растворимые, чем кристаллические вещества); величины удельной поверхности (чем она больше, тем быстрее частицы цемента взаимодействуют с водой и образуют цементный камень); ионной плотности; концентрации растворенного вещества в растворителе (в ненасыщенных растворах происходит растворение, а в пересыщенных – кристаллизация); наличию сопутствующих химическому растворению химических реакций.

Значение растворимости в технологии и эксплуатации строительных материалов чрезвычайно велико. Высокая растворимость обеспечивает большую скорость химических реакций, обусловливает рост кристаллов, без чего невозможно твердение бетонов и растворов.

Химическая стойкость – способность материалов противостоять разрушающему влиянию щелочей, кислот, растворенных в воде солей и газов.

Очевидно, что кислотостойкостью будут обладать материалы, состоящие из минералов – кислот или солей сильных кислот, не подвергающихся гидролизу. Такими материалами являются гипс, гранит, силикатное стекло, шлакоситаллы, кислотостойкий бетон. Высокой сопротивляемостью по отношению действия кислот и щелочей обладают керамические материалы с очень плотным черепком (например, облицовочные плитки, плитки для полов, канализационные трубы), материалы на основе пластмасс (трубы, пленки и др.)

52

Для обеспечения солестойкости материал не должен содержать веществ, которые могли бы вступать в химическое взаимодействие с солями, содержащимися в окружающей среде. Например, цементный камень бетона содержит вещество 3СаОА12Оз6Н2О, которое, взаимодействуя с растворенным в воде СаSО4, образует комплексное соединение – 3А12Оз3СаSО431Н2О. За разрушающее действие на цементный камень это соединение назвали цементной бациллой.

Щелочестойкостью обладают материалы, состоящие из сильных оснований. Например, для футеровки металлургических печей применяются магнезитовый (MqO) и доломитовый (CaOMqO) кирпичи и набивки, так как шлаки в этих печах являются основными. К щелочестойким материалам относятся бетоны на основе портландцемента и глиноземистого цемента.

Существует два метода определения кислотостойкости и щелочестойкости – испытание раздробленного материала и цельных образцов (50х30 мм). Химическую стойкость (в процентах) определяют и в том и в другом случае отношением массы измельченного материала (целого образца – m1), обработанного определенными растворами кислот или щелочей, к его массе до обработки (m):

К(Щ) = m1100/m.

Биологическая стойкость – способность материалов противостоять разрушающему воздействию биологической коррозии (заражению грибками, лишайниками и т.п.).

Металлы и их сплавы, каменные и неорганические материалы, большинство пластмасс практически биостойкие. Влажная древесина и некоторые другие органические материалы слабо сопротивляются воздействию биологически активной среды.

Радиационная стойкость – способность материала противостоять воздействию интенсивных потоков радиационного излучения, изменяющего его структуру и свойства. Интенсивность излучения выражается в рентгенах, соответствующих 0,11 эрга энергии.

Под воздействием радиоактивного облучения у металлов заметно вырастает предел текучести (у нержавеющей стали в 3 раза), у углеродистой стали и алюминиевых сплавов уменьшается пластичность, у керамических материалов уменьшается плотность и теплопроводность, появляются признаки аморфизации структуры, а стекло окрашивается.

При взрывах ядерных устройств, работе ядерных реакторов, в рентгеновских лабораториях и лечебных кабинетах активные частицы – нейтроны, рентгеновские и γ-лучи, проникая в живой организм, ионизируют ткани и вызывают тяжелые заболевания.

Препятствием для распространения активных частиц являются ядра атомов. Чем большую часть объема атома они занимают, тем выше их эффективность как поглотителя активных частиц. Поэтому для защиты от радиоактивного излучения применяют материалы, содержащие атомы или ионы элементов с большим атомным весом (свинец, барий, железо и др.) или ионы с тонкой электронной оболочкой (алюминий, бор, кадмий, углерод, водород и

53

его изотопы).

В общем случае способность к поглощению активных частиц примерно пропорциональна средней плотности материала. Радиационную стойкость рассматривают либо как сравнительную характеристику поведения различных материалов в одинаковых заданных условиях, либо как предельную дозу, соответствующую допустимому изменению свойств материала по условиям его эксплуатации в зданиях и сооружениях, где возможно такое облучение (атомные электростанции, научно-исследовательские центры).

Толщина стенки, обеспечивающая достаточное уменьшение интенсивности излучения, определяется по формуле

Т = 51,5/ρоlg ρо ε1/ε2,

где ρо – средняя плотность материала стенки, т/м3; ε1 – интенсивность источника излучения, ε2 – допускаемая интенсивность.

4.7 Дисперсные системы

Дисперсность – характеристика размеров твердых частиц и капель жидкости (чем мельче частицы, тем больше дисперсность).

Дисперсные системы – образования из двух или большего числа фаз (тел) с сильно развитой поверхностью раздела между ними. В дисперсных системах дисперсная фаза распределена в виде мелких частиц (кристалликов, капель, пузырьков) в дисперсионной среде – газе, жидкости или твердом теле.

Степень дисперсности определяется как величина, обратная размеру

дисперсной частицы а:

D = 1/а, см-1.

По степени дисперсности все дисперсные системы можно разделить на три группы:

Молекулярно- и ионно-дисперсные (дисперсиды), размер частиц которых

менее 1 мкм. Такие дисперсные системы проходят через все фильтры, не оседают. Хорошо подвергаются диализу, диффундируют, в ультамикроскопе не видны.

Коллоидно-дисперсные с размером частиц от 100 до 1 мкм. Такие системы задерживаются только в ультрафильтрах, не оседают, не диализируют, слабо диффундируют. Обнаруживаются при помощи ультрамикроскопа.

Грубо-дисперсные (суспензии, эмульсии, порошки, пена) с размером частиц

более 100 мкм. Они не проходят через тонкие бумажные фильтры, быстро оседают, не диализируют и не диффундируют, видимы в обычный микроскоп.

Степень дисперсности характеризуется также удельной поверхностью (рисунок 34).

Удельная поверхность – суммарная поверхность всех частиц единицы массы вещества (см2/г). Удельная поверхность тонкомолотых материалов достигает больших значений (см2/г): обычного портландцемента – 2000...2500, а тонкомолотого быстротвердеющего – 3000...4000.

Наиболее общая классификация дисперсных систем основана на различии в агрегатном состоянии дисперсной фазы и дисперсионной среды. Три агрегатных состояния вещества позволяют выделить девять типов дисперсных

54

систем. Например, твердые гетерогенные системы – минералы, сплавы, ситаллы, бетон (Т/Т); капиллярыне системы – грунты, жидкость в пористых телах, адсорбенты в растворах (Т/Ж); суспензии и пасты (Ж/Т); эмульсии (Ж/Ж); пе-

Рисунок 34 – Диспергирование (от лат dispergo

– рассеиваю, распыляю) – тонкое измельчение твердого тела, в результате которого образуются дисперсные системы:

а – частица до дробления; б – после дробления

Дисперсные системы могут быть не только двухфазными – холодная эмульсионная краска на основе яичного белка (желтка) с эмульсионной смесью воды и льняного масла или матрон – бесцветная или белая эмульсионная краска с добавкой тугоплавкого фарфорового порошка, который придает обжигаемому слою шелковистый матовый вид, а также повышает химическую устойчивость, но и трехфазными.

В природных условиях диспергирование сопровождает тектонические процессы выветривания горных пород с образованием глин и природных песков, почвообразование. В промышленности диспергированием – измельчением с помощью мельниц различного типа получают искусственный щебень, песок и минеральные порошки.

55

5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

Свойства, выражающие способность материала к восприятию определенных технологических операций с целью изменения формы, размеров, характера поверхности, плотности, называют технологическими.

Из бетонной или растворной смеси нетрудно отформовать изделие заданной формы и требуемых размеров. Во время изготовления изделие можно уплотнить вибрированием, трамбованием или другими технологическими приемами, оштукатурить и загладить его поверхность. Классическим примером технологичного материала является древесина. Ее легко тесать, строгать, сверлить и распиливать, а также долбить, перепиливать, раскалывать и склеивать. Древесина хорошо шлифуется и полируется, окрашивается и лакируется, соединяется гвоздями и шурупами, винтами, нагелями и врубками. Весьма технологичны металлы, их обрабатывают в холодном, нагретом и расплавленном состоянии.

Из глины можно отформовать изделия любой формы, а после сушки и обжига получить не размокающий в воде керамический каменный материал, весьма прочный и долговечный.

Удобоукладываемость – важнейшее технологическое свойство строительного раствора легко укладываться тонким и плотным слоем на пористое основание и не расслаиваться при транспортировании, перекачивании насосами и хранении. В свою очередь, удобоукладываемость зависит от подвижности (растекаемости) и водоудерживающей способности растворной смеси.

К технологическим свойствам готовых к употреблению лакокрасочных материалов относят степень потертости красок (чем тоньше растерта краска, тем легче ее наносить на поверхность), время и степень высыхания материала, условную вязкость, розлив, адгезию покрытия с поверхностью, способность покрытий шлифоваться и полироваться.

Адгезия – сцепление и связь между находящимися в контакте поверхностями разнородных по составу твёрдых или жидких материалов, обусловленные межатомными силами притяжения. Адгезионная способность проявляется в сопротивлении отрыву или разделению контактирующих материалов. Это свойство имеет большое значение при сварке и пайке материалов, склеивании, нанесении защитно-декоративных (эмалевых, лакокрасочных и др.) покрытий, когда в начальной стадии одна из фаз находится в жидком состоянии.

56

6 ДЕКОРАТИВНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

Эстетическое впечатление, которое производит материал, зависит от объективных характеристик его внешнего вида и психофизиологических особенностей наблюдателя, в том числе художественного вкуса, настроения и т.д. Большое значение имеет архитектурно-художественная сочетаемость оцениваемого материала с другими, применяемыми на строительном объекте, и с окружающей природной или искусственной средой.

Физическими показателями декоративности являются: цвет, фактура и текстура штучных изделий, кроме того, форма, которая должна быть эстетически осмысленной, строгой и пропорциональной.

Человек видит несамосветящийся предмет потому, что на его орган зрения действует видимое излучение (свет), отраженное поверхностью предмета. Без света нет зрительного восприятия конфигурации предмета, цвета и состояния его поверхности.

Свет – это относительно небольшой участок спектра электромагнитных волн, нижняя граница которого лежит в интервале длин волн в нанометрах (нм) от 380 до 400, а верхняя – от 760 до 780. Белый свет представляет собой совокупность лучей разного цвета. Разложение солнечного света с помощью стеклянной призмы на лучи с различными длинами волн дает цветовые диапазоны спектра.

При падении светового потока на поверхность непрозрачного материала часть лучей отражается поверхностью, часть – поглощается ею. Отражение света характеризуется коэффициентом отражения, равным отношению потока энергии отраженной волны к потоку энергии, падающей на поверхность. В зависимости от состояния поверхности отражение может быть зеркальным, происходящим в одном определенном направлении, или диффузным, т. е. рассеянным. Для окрашенных поверхностей поглощение энергии происходит избирательно для лучей различного цвета.

Цвет – свойство материала вызывать у наблюдателя определённое зрительное ощущение. Цвет непрозрачного материала определяется цветом отраженных лучей света. Поверхность воспринимается зеленой потому, что она отражает зеленые и ближайшие к ним по спектру лучи, а прочие поглощает, белой – потому что она одинаково хорошо отражает все падающие лучи, а чëрной – потому что она все лучи одинаково активно поглощает.

Принято выделять семь основных цветов, расположенных в строгой последовательности, – это красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. В свою очередь, каждый из названных цветов имеет множество цветовых оттенков, плавно переходящих один в другой. Поэтому спектр называют непрерывным и границы между отдельными цветами указывают ориентировочно.

Цвет поверхности как зрительное ощущение зависит от спектрального состава лучей источника света. В спектре электрической лампы накаливания почти полностью отсутствуют синие и фиолетовые лучи, из-за чего при искусственном освещении голубые цвета зеленеют, оранжевые краснеют, синие и фиолетовые приобретают пурпурный оттенок и т.д.

57

Таким образом, цвет материала обусловлен следующими факторами: его окраской; состоянием поверхности, определяющим ее отражательную способность; оптическими характеристиками источника света и среды, через которую свет распространяется; окружающим цветовым фоном и физиологическими особенностями наблюдателя.

Для получения гармоничного цветового решения интерьеров помещений и фасадов зданий необходимо знать свойства цветов и их сочетаний.

С физической точки зрения всякий цвет можно выразить тремя характеристиками: цветовым тоном (цветностью), светлотой и насыщенностью. Любое изменение цвета обязательно вызывает изменение хотя бы одного из этих характеристик.

Все цвета, встречающееся в природе, делятся на две отличающиеся по своим характеристикам группы: ахроматические (бесцветные) и хроматические (определенные по цвету).

Ахроматические цвета: бело-серо-черные, отсутствуют в спектре и различаются только светлотой.

Светлота – это способность отражать свет; характеризуется коэффициентом отражения, который для белых поверхностей приближается к 100 %, а черных (сажа, черный бархат) – к нулю. Оттенки серого цвета получают смешением белого и черного, в различных пропорциях. Человеческий глаз в состоянии различить около 300 ахроматических цветов.

Хроматические цвета имеют следующие характеристики: цветовой тон, который позволяет приравнять цвет поверхности к одному

из спектральных; описывается названиями цветового типа (красный, синий, желто-зеленый и др.); количественно выражается длиной волны одинакового по оттенку спектрального цвета;

светлота, которая для хроматической поверхности определяется коэффициентом отражения равносветлого с ней ахроматического цвета; связана в сознании с количеством белого или черного пигмента. Наименование цвета получают добавлением понятий, указывающих на степень светлоты: «светлый», «темный», «очень темный» и др.;

насыщенность (чистота) показывает степень цветового тона. В сознании она связана с содержанием красящего вещества. Оценивается долей чистого спектрального цвета в смеси спектрального и ахроматического той же светлоты. Выражается в наименовании цвета понятиями типа: «яркий», «чистый», «интенсивный», «бледный» и др.

Совмещение отдельных спектральных цветов в определенном соотношении дает белый цвет.

Из спектральных цветов можно выделить три цвета, смешением которых в разных пропорциях получают любой другой цвет. Такие цвета называют основными. Обычно используется система: «красный – желтый – синий». Например, зеленый цвет получают, смешивая синий и желтый, а фиолетовый – смешивая красный и синий и т.д. Остальные цвета спектра называют смешанными. Каждый основной или смешанный цвет можно сделать светлее или темнее, добавив к нему соответственно белый или черный цвет.

58

Для каждого хроматического цвета существует другой хроматический цвет, при смешивании с которым в определенной пропорции получается серый (ахроматический) цвет. Такие цвета называют дополнительными. Дополнительные цвета при совместном использовании усиливают друг друга. Так, если на красном фоне сделать зеленый рисунок, то зеленый цвет рисунка и красный цвет фона будут казаться более яркими.

В отделочных работах, различают холодные и теплые цвета. По ассоциации с оттенками льда и огня к холодным относят голубые, синие и фиолетовые цвета, а к теплым – красные, оранжевые и желтые. Зеленый цвет в зависимости от того, преобладает в нем желтый или синий цвет, может быть соответственно теплым или холодным.

Для эффективного использования материалов, главным образом полимерных, обоев, а также лакокрасочных покрытий в местах с систематическим активным воздействием световых лучей важно учитывать их цветоустойчивость.

Цветоустойчивость – это способность материала сохранять окраску при длительном воздействии оптического излучения, включающего, кроме видимого, излучение ультрафиолетовой и инфракрасной частей спектра.

Стойкость окраски проверяют облучением образцов в естественных условиях крышных испытаний или ускоренно – в лабораторных аппаратах искусственной погоды при освещении ксеноновыми или ртутно-кварцевыми лампами. При определении цветоустойчивости устанавливают цветовые различия (визуально или инструментальным методом) между контрольными образцами и образцами, подвергнутыми световому облучению.

Фактура – характер лицевой поверхности материала, определяемый степенью ее неровности или, наоборот, гладкости. Неровность поверхности зрительно воспринимается вследствие неодинаковой освещенности отдельных участков и появления на ней светотеневых неравномерностей.

По характеру поверхности материала выделяют два типа фактур: рельефные и гладкие.

Рельефные фактуры различаются по высоте и характеру рельефа. В зависимости от характера рельефа выделяют организованную фактуру с повторяющимся, равномерным, часто геометрическим рисунком рельефа и неорганизованную с неравномерным, случайным расположением выступов и углублений. Пример первый – рифленая фактура облицовочных плит из природного камня, второй – фактура фасадных бетонных плит с обнаженным декоративным заполнителем.

Гладкие фактуры (зеркальная, глянцевая, лощеная, матовая) различаются по степени обработки поверхности и по разному отражению падающего на материал света. Материалы с очень гладкой поверхностью отражают свет в одном определенном направлении, с которого эта поверхность выглядит блестящей.

Для зеркальной поверхности характерно четкое отражение предметов. Материалы с шероховатой поверхностью отражают свет рассеяно, в разных направлениях. Такая поверхность с любой точки выглядит как матовая – равномерно освещенная, но не блестящая. Глянцевая и лощеная поверхность за-

59

нимают промежуточное положение между зеркальной и матовой поверхностью.

Количественно степень гладкости лицевой поверхности отделочных материалов характеризуют блеском, т.е. способностью направленно отражать световой поток. Этот показатель определяют с помощью фотоэлектрического блескомера и используют при оценке качества полимерных лакокрасочных покрытий, полируемости природных каменных материалов и т.д.

Отделочные материалы на лицевой поверхности могут иметь определенный естественный или специально нанесенный рисунок.

Естественный рисунок (текстура) образует на поверхности характерную структуру в зависимости от особенности строения материала: формы, размера, характера взаимного расположения, окраски и блеска структурных составляющих материала. Текстура образуется: у древесины – годичными кольцами, сердцевинными лучами и волокнами; у природного камня – зернами, прожилками и порами; у бетона – цементным камнем, мелким и крупным заполнителем и т.д.

Прозрачность – свойство материала пропускать свет, не изменяя направление его распространения. Количественно определяется как отношение интенсивности света, прошедшего входную поверхность (Ι1) к интенсивности падающего света на противоположную поверхность материала (Ιо). Этот показатель называют коэффициентом прозрачности: τ = Ι1/ Ιо.

Прозрачность материала зависит от его состава и строения, толщины слоя и длины световой волны, а также угла падения.

Слой материала может быть непрозрачным (τ = 0), однако пропускающим рассеянный свет, т.е. быть просвечивающим. Свойство материала, характеризующее его непрозрачность для световых лучей, называется оптической плотностью.

Для повышения декоративности материала на его поверхность рисунок может наноситься покраской, печатью или иным способом. Современная технология изготовления искусственных, прежде всего полимерных, отделочных материалов, позволяет получать неограниченное разнообразие рисунков, включая специально созданные декоративные текстуры.

Декоративность отделки снижает дефекты внешнего вида, главным образом, лицевой поверхности используемых материалов и изделий: отклонения от требуемой формы и размеров, трещины, отбитости углов и ребер, поверхностные дефекты, неравномерность окраски, шероховатость поверхности (для древесины).

Декоративные свойства материалов оценивают путем сопоставления с утвержденными в установленном порядке образцами-эталонами. Для сравнения используются эталоны физических свойств, например, молочное матовое стекло с известным коэффициентом отражения – для контроля белизны белого цемента и наборы стандартных образцов. Например, оттенки типографической краски на бумаге или окрашенные кусочки ткани, приведенные в соответствующих «Атласах цветов» и «Колерных книгах»; принятые образцы выпускаемой продукции.

60