Лекция № 1

СОСТАВ, СТРУКТУРА И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА

ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1. Свойства дорожно-строительных материалов

Дорожно-строительные материалы в период эксплуатации в сооружении (дорожная одежда, мосты и др.) подвергаются воздействию внешних механических сил и физико-химических факторов окружающей среды. К внешним механическим воздействиям относят ударные и статические нагрузки транспортных средств, массу элементов конструкций, механическую работу воды, льда, ветра. К физико-химическим факторам относят колебания температуры воздуха, атмосферные осадки, поверхностные и грунтовые воды и др.

В зависимости от того, в каком элементе дорожной конструкции работают материалы, они по-разному подвергаются воздействию внешних сил. С течением времени под влиянием сложного комплекса механических, физических и химических факторов строительные материалы в дорожных конструкциях постепенно разрушаются. Пригодность материалов для конкретных условий определяются по их свойствам. Показатели свойств материалов являются важнейшими критериями их качества. Они нормированы в государственных стандартах и других нормативно-технических документах. Свойства материалов не остаются стабильными, они изменяются под воздействием физических, механических и физико-химических факторов. Выделяют следующие свойства:

Физические свойствахарактеризуют физическое состояние материала (фазовое состояние, плотность, структуру), а также определяют его отношение к физическим процессам окружающей среды. Важнейшими из физических свойств материала являются:

Плотность- масса вещества материала в единице его объема. Плотность строительных материалов больше единицы.

Объемная масса- масса единицы объема материала в естественном состоянии (с порами и пустотами и т. д.). Объемная масса строительных материалов обычно меньше плотности. Чем меньше пористость материала, тем ближе значения объемной массы и плотности. Поэтому по объемной массе можно судить о пористости материала. У рыхлых зернистых материалов различают насыпную массу — массу единицы объема материала в рыхлом состоянии. Насыпная масса характеризует, кроме пор в зернах материала, пустоты между зернами.

Пористостьхарактеризует количество пор и микротрещин в единице объема материала

,

где - объемная масса;

- плотность материала.

Влажностьопределяют в процентах по объему или массе:

,

где и- масса влажного и сухого образца материала, г;

- объем материала.

Водопоглощение- количество воды, которое может поглотить погруженный в воду материал, а затем удержать молекулярными и капилярными силами при атмосферном давлении.

Водонасыщениеопределяется количеством воды, которое может поглотить материал при вакууме или повышенном давлении.

Теплопроводность- способность материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Ее характеризуют коэффициентом теплопроводности, измеряемым в единицах Вт/(м^оС).

Механические свойства — способность материала сопротивляться деформированию и разрушению под действием напряжений, возникающих в результате приложения внешних сил.

Нагрузки вызывают в материалах нормальные и касательные напряжения, обусловливающие процессы деформирования материала. В качестве основных можно выделить следующие механические свойства:

Прочность- важнейшее свойство материала, в большинстве случаев определяет возможность его использования в строительной конструкции. Прочность материалов измеряется мегапаскалями (МПа). Наиболее прочными являются металлы, например, сталь (150-500 МПа), прочность гранитов при сжатии 120-150 МПа, при растяжении менее 10 МПа, прочность бетонов при сжатии изменяется от 1 до 100 МПа, а при растяжении их прочность в 10-15 раз меньше. Прочность асфальотобетонов при сжатии 5-7 МПа (температура при испытании 20°С).

Упругость- свойство материала обратимо поглощать энергию, передаваемую внешними воздействиями, что выражается в восстановлении первоначальной формы и объема образца после прекращения действия внешних сил.

Упругость характеризуют модулем упругости

;

где- модуль упругости;

- напряжение, МПа;

- относительная деформация.

Вязкость- свойство твердых тел под воздействием внешних сил необратимо поглощать механическую энергию при пластической деформации Вязкость жидких материалов характеризует способность сопротивляться перемещению одного слоя материала относительно другого. Вязкость материала характеризуют коэффициентом вязкости:

где - коэффициент вязкости;

- скорость изменения относительной деформации, с^-1

С вязкостью и упругостью материалов в определенной мере связаны пластичность и хрупкость.

Пластичность- способность материала необратимо деформироваться под влиянием действующих на него усилий без разрыва сплошности (образования трещин).

Хрупкость- свойство материалов под влияниём внешних сил разрушаться, не давая остаточных пластических деформаций. Хрупкость противоположна пластичности. Хрупкость и пластичность материалов изменяется от температуры и режима нагружения. Например, битумы хрупки при пониженной температуре и быстро нарастающей нагрузке и пластичны при медленно действующей нагрузке и повышенной температуре.

Ползучесть- способность материалов длительно деформироваться под действием постоянной нагрузки. Ползучесть материалов возрастает с уменьшением их вязкости, поэтому большей ползучестью обладают вязкие, пластичные материалы (например, асфальтобетон) и меньшей хрупкие, упругие материалы (например, цементобетон).

Химические свойстваматериалов определяют его способность вступать в химическое взаимодействие с веществами среды, в которой он находится, их учитывают при оценке пригодности материала для тех или иных целей в строительстве. К химическим свойствам относятся:

Растворимость- способность образовывать истинные растворы в результате взаимодействия материала с водой или другими растворителями. Строительные материалы в большинстве случаев должны быть нерастворимыми в условиях их эксплуатации.

Коррозионная стойкость- свойство материала не разрушаться в агрессивных средах (щелочная, кислотная среда, проточная вода и др.).

Атмосферостойкость- свойство материала не разрушаться под воздействием климатических условий. С атмосферостойкостью материала часто связана его склонность к старению вследствие протекания в нем физико-химических процессов и ухудшения свойств. Старение характерно для полимеров, битумов, асфальтобетонов.

Твердение - свойство материала затвердевать (переходить из пластичного состояния в твердое) в результате химических процессов и приобретать ряд новых свойств - сопротивляться различным по виду и характеру нагрузкам, агрессивным воздействиям внешней среды.

Адгезия- свойство одного материала прилипать к поверхности другого. Измеряют адгезию прочностью сцепления при отрыве одного из них от другого. Адгезия имеет важное значение в технологии изготовления материалов и конструкций.

Конструкционные свойстваобуславливают возможность создания из материалов конструкций с заданными механическими свойствами. К ним относятся:

Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него более твердого материала.

прочность– способность материала уменьшаться в массе и объеме под действием истирающих усилий.

Износ – свойство материалов сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов.

Технологические свойства – характеризуют поведение материала при технологических процессах:

Формуемость (удобоукладываемость)– свойство смесей приобретать заданную форму при минимальных затратах средств.

Нерасслаиваемость– свойство смеси сохранять неоднородность при транспортировке и формовании.

Эксплуатационные свойства– обуславливают работу материала в элементах дорожных конструкций на протяжении определенного отрезка времени:

Долговечность – продолжительность работы материала в конструктивных элементах сооружений в условиях эксплуатации. С долговечность материалов связываютвыносливость– способность сопротивляться многократно прилагаемым механическим воздействиям.

2. СТРУКТУРА МАТЕРИАЛА

Структура материала характеризуется качеством и количественным соотношением составляющих, их взаимным расположением и связями между ними.

По методам изучения различают:

- макроструктуру – строение, видимое невооруженным лазом;

- микроструктуру – строение материала, видимое в микроскоп;

- ультромикроструктуру –внутренне строение материала, составляющего материал, изучаемого методами электронной микроскопии. На уровне ультромикроструктуры материала изучено главным образом строение вещества, состоящего из одного или нескольких элементов, между которыми устанавливаются устойчивые связи.

Свойства вещества зависят от химического строения молекул, в которых атомы располагаются таким образом, чтобы общая потенциальная энергия системы была минимальной.

Идеальный кристалл имеет пространственную решетку, расположение атомов, ионов, молекул в узлах которой периодично и характерно для данного вещества.

Строение реальных кристаллических и аморфных веществ существенно отличается от идеального по следующим позициям:

1. Структура материала у поверхности значительно отличается от структуры в их толще. Атомы и молекулы вещества на поверхности материала более активны, чем внутри материала. Поэтому поверхность материала всегда покрыта слоями других веществ, что существенно изменяет свойства материала в целом. Вследствие этого структура материала всегда находится в неравновесном, внутренне напряженном состоянии.

2. Важнейшими критериями качества структуры является плотность, объемная масса и пористость материала. Зная эти показатели, можно судить о прочности и долговечности материала. Наиболее высокой прочностью обладает идеально однородный материал. Появление неоднородности в нем вызывает концентрацию напряжений, вследствие чего образуются микротрещины. Общую зависимость прочности от неоднородности структуры можно представить графически следующим образом:

Схема зависимости прочности от неоднородности

структуры материалов.

3. Структура материала может быть одно-, двух- и многокомпонентной. Различают конгломератную (бетоны), волокнистую (древесина, стеклопластик), слоистую (текстолиты) и рыхлозернистую (песок, щебень) макроструктуры. Для простоты изучения многокомпонентные структуры обычно разделяют на двухкомпонентные.

4. В формировании свойств материалов важное значение имеет их микроструктура. По характеру связей между компонентами можно выделить три типа микроструктур – коагуляционную, конденсационную и кристаллизационную.

Коагуляционная структура – пространственные микросетки, возникшие путем беспорядочного сцепления мельчайших частиц дисперсной фазы через тонкие прослойки жидкой или газообразной среды. Свойства коагуляционной структуры обусловлены наличием тонких пленок в местах контакта частиц фазы, поэтому эти структуры характеризуются малой прочностью, хорошей пластичностью и способностью восстанавливать структуру (тиксотропность) после ее разрушения температурными или механическими воздействиями (глиняное тесто, битум в а/б).

Конденсационные структуры представляют собой хрупкие пространственные микросетки, которые образуются из коагуляционных структур вследствие уменьшения в системе жидкой фазы (высушенная глина). Возникает непосредственный контакт между частицами фазы, прочность увеличивается, но при этом утрачивается пластичность, эластичность и тиксотропность. Эта структура может переходить в коагуляционную при увеличении в системе жидкой фазы.

В кристаллизационной структурепространственные сетки образуются в результате непосредственного срастания отдельных кристаллов. Структура обладает большой прочностью, разрушается без заметных остаточных деформаций и характеризуется отсутствием тиксотропных свойств. Кристаллизационные структуры характерны для горных пород, цементобетонов и т.д.

Между рассмотренными структурами могут быть промежуточные: кристаллизационно-конденсационные, коагуляционно-конденсационные.

По крупности зерен составляющих в каменных материалах различают крупно-, средне и мелкокристаллические структуры. Форма зерен структурных составляющих влияет на образование определенных структур и свойств материалов. С уменьшением крупности зерен существенно изменяются свойства материала. Это связано с тем, что с уменьшением зерен структурных составляющих изменяется характер неоднородности материала, а следовательно, и его внутреннее напряженное состояние.

Структура оказывает большое влияние на изоляционные, технологические, эксплуатационные свойства материалов, на их долговечность. Поэтому, оптимизируя ее, можно заметно улучшить свойства материалов.