все сделаные1-2412

2. Основные физико-химические свойства и показатели

Физические свойства - характеризуют физическое состояние материала (фазовое состояние, плотность, структуру), а также определяют его отношение к физическим про­цессам окружающей среды без изменения строения молекул. К таким свойствам отно­сят истинную и среднюю плотности, теплоемкость, звукопроницаемость, влажность, водопоглощение, усадку, огнеупорность, светостойкость и др. Механические свойства - способность материала сопротивляться деформирова­нию и разрушению под действием напряжений, возникающих в результате приложения внешних сил. Это свойства такие как прочность, упругость, вязкость, пластичность, хрупкость, релаксация, ползучесть, твердость материалов и др.

Химические свойства - определяют способность материала вступать в химическое взаи­модействие с веществами среды, в которой он находится, с образованием новых соедине­ний, что характеризует такие процессы, как растворение, кристаллизация, коррозионная стой­кость, старение, атмосферостойкость, адгезия, когезия, горючесть, токсичность и др.

Свойства строит. материалов рассматривают как изоляционные, конструктивные, эксплуатационные, технологические.

Изоляционные свойства определяются показа-телями физических величин, плотности материала, а также водо -, газо -, тепло -, электро- и звукопрони-цаемости и др.

Истинная плотность- масса вещества материала в единице объема. Средняя плот­ность- масса единицы объема вещества в естественном состоянии. Насыпная плотность-масса единицы объема материала в рыхлом состоянии. Пористость характеризуется коли­чеством пор и микротрещин в единице объема материала.

Влажность определяется по объ­ему влаги или в процентах. Различают равновесную (природную) влажность, обусло-вленную гигроскопичностью- свойством капиллярно-пористого материала поглощать водяной пар из влажного воздуха на внутренней поверхности пор и капилляров.

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

Водонасыщение - количество воды, которое может поглотить материал при вакууме или повышенном давлении.

Водопроницаемость - способность материала пропускать воду при заданных усло­виях, определяется значением предельного давления, когда вода не проходит через толщу материала.

Теплопроводность - способность материала передавать тепло через свою толщу за счет разности температур.

Акустические свойства - характеризуют сопротивляемость материалов распро­странению звуков. В зависимости от среды, в которой распространяется звук, различают воздушные звуки и структурные (распространение звука в твердом теле).

3. Конструктивные свойства дорожно-строительных материалов

Конструктивные свойства оцениваются пока-зателями механических свойств, харак­теризующих способность материалов сопротивляться всем видам механических воз­действий.

Прочность - статическая (пределы прочности на сжатие, изгиб, растяжение), динамиче­ская (одно-кратная динамическая нагрузка) и усталостная (при повторных нагрузках).

Упругость - свойство материала обратимо погло-щать энергию, передаваемую внеш­ними воздейст-виями, что выражается в восстановлении первона-чальной формы и объ­ема образца после прекращения внешних сил, под влиянием которых форма материала в той или иной степени изменялась.

Вязкость - свойство материала под действием внешних сил необратимо поглощать механическую энергию при пластических деформациях. Вязкость жидких материалов характеризует способность сопротивляться перемещению одного слоя материала отно­сительно другого.

Пластичность - способность материала необра-тимо деформироваться под влияни­ем действующих на него усилий без разрыва сплошности.

Хрупкость - свойство материала под влиянием внешних сил разрушаться, не давая ос­таточных пластических деформаций. Хрупкость и пластичность - противоположности.

Ползучесть - способность материала длительно деформироваться под действием постоянной нагрузки. Ползучесть учитывают, если ее деформации влияют на прочность и эксплуатационные свойства материалов. Ползучесть зависит от вязкости.

Релаксация напряжений - способность к их уменьшению в деформированном на заданную величину материале.

Скорость релаксации напряжений, как и скорость ползу­чести, зависит от вязкости материала.

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

Коэффициент конструктивного качества представляет собой отношение прочно­сти материала к его средней плотности.

1.Дорожно-строительные материалы: характеристика и значение.

Дорожно-строительные материалы в период эксплуатации сооружений (дорожная одежда, мосты и др.) подвергаются воздействию внешних механических сил и физико-механических факторов окружающей среды. К внешним механическим воздействиям от­носят ударные и статические нагрузки от транспортных средств, массы элементов на­грузки, механической работы воды, льда, ветра, а также следует учесть колебания тем­пературных режимов, инсоляцию, атмосферные осадки, воздействие поверхностных и грунтовых вод. Так, атмосферные осадки могут нарушить структурные связи в материале, растворять и вымывать некоторые вещества. Минерализованные воды постепенно раз­рушают цементобетон, а колебания температуры периодически изменяют внутренние на­пряжения в материалах, их состояние, что приводит к ослаблению структурных связей, появлению микротрещин, сдвигов под воздействием транспортных средств.

4. Технологические и эксплуатационные свойства дорожно-строительных материалов

Эксплуатационные свойства характеризуются показателями эксплуатационных свойств, обес-печивающих высокую надежность работы материалов в течение заданно­го срока эксплуатации.

Долговечность материала характеризует продолжительность его работы до пре­дельного изме-нения свойств.

Морозостойкость материала - свойство насы-щенного водой материала выдержи­вать попеременное замораживание и оттаивание без снижения прочности.

Коррозионная стойкость - Свойство материала не разрушаться в агрессивных средах (щелочная, кислотная).

Атмосферостойкость - свойство материала не разрушаться под воздействием кли­матических условий (температурные, осадки, солнечная радиация и т.д.).

Надежность - свойство материала работать безотказно, т.е. сохранять работоспо­собность в определенных условиях в течение заданного срока без вынужденного пере­рыва на ремонт.

Истираемость - способность материала умень-шаться в массе и объеме под дейст­вием истирающих усилий.

Износ - свойство материала сопротивляться одно-временному воздействию истира­ния и ударов.

Горючесть - свойство материала принимать участие в быстро протекающих химиче­ских процессах горения, сопровождающихся выделением тепла и света.

Огнестойкость - свойство материала сопротив-ляться действия высоких температур в течение определенного времени.

Огнеупорность - свойство материала выдер-

живать без разрушения длительное воздействие высоких температур.

Токсичность - свойство некоторых материалов вызывать отравление и заболева­ние людей.

Технологические свойства характеризуют поведение материала при технологических процессах обработки и переработки (буримость, слеживаемость, формуемость, нерасслаиваемость, твердение, дробимость, вязкость смесей, консистенция). По технологи­ческим свойствам судят о возможности переработки и получения доброкачественной продукции из исходных материалов при принятой технологии и имеющемся технологи­ческом оборудовании.

Формуемость - свойство смесей, составленных из различных компонентов, приоб­ретать заданную форму при минимальных затратах средств.

Нерасслаиваемость - свойство смеси сохранять однородность при транспортиро­вании и формовании.

5. Дисперсные системы. Классификация

Свойства строительных материалов исключительно разнообразны и учитывая, что дорожные строительные материалы представляют собой органоминеральные смеси сложных дисперсных систем, необходимо остановиться на основных свойствах дис­персных систем.

Дисперсная система представляет собой систему, состоящую из двух частей: дис­персной фазы и дисперсионной среды. В качестве дисперсионной среды для бетонов используется вода, для асфальтобетонов - битум.

Дисперсные системы классифицируют: по размерам частиц дисперсной фазы, в за­висимости от характера дисперсионной среды и от вида дисперсионной среды.

1. Классификация дисперсных систем по размерам частиц дисперсной фазы:

2. Классификация дисперсных систем в зависимости от среды:

3.Классификация дисперсных систем в зависимости от характера среды: по отношению к воде -

- гидрофильные;

- гидрофобные;

по отношению к другим жидким средам-

- лиофильные;

- лиофобные.

6. Основные свойства дисперсных систем

Дисперсные системы обладают определенными свойствами. Основными свойствами дисперсных систем являются молекулярно-кинетические свойства:

-диффузия;

-броуновское движение;

-осмотическое движение;

-седиментация;

-оптические свойства.

Диффузия - самопроизвольный, необратимый процесс выравнивания концентраций, который отвечает максимальному значению энергии системы - энтропии <>S. Скорость диффузии V= <>m/<>t измеряется количеством вещества, диффундированного за еди­ницу времени (частицы малы, силы тяжести невелики, идет уравнивание концентраций за счет процесса диффузии).

Броуновское движение - самопроизвольное, беспорядочное движение мелких частиц, взвешенных в жидкости или газе. Открыто Броуном в 1827году как тепловое движение молекул среды. Теория броуновского движения была разработана Эйнштейном и Смолуховским в 1905 году, и основная формула этой теории связывает квадрат среднего сдвига частицы (х)² за время t.

Седиментация - это способность частиц, не оседающих под действием силы тяжести, на­ходиться во взвешенном состоянии и обладать седиментационной устойчивостью. Седименационная устойчивость дисперсной системы зависит от размеров частиц и от разности плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды. Грубодисперсные системы седиментационно неустойчивы: силы тяжести велики, размеры частиц значительны и следователь­но частицы оседают, а система расслаивается. Седиментация бывает двух типов: 1 .Частица оседает каждая отдельно, не сцепляясь друг с другом. Такие системы обладают агрегативной устойчивостью. 2. Частицы коагулируют,

собираясь, сцепляясь друг с другом в агрегаты и, да­лее образуют хлопья, то такие дисперсные системы называют агрегативно-неустойчивыми.

Для исследования дисперсных систем используют седиментационный метод анализа в зависимости от размера частиц дисперсной фазы. Для грубодисперсных систем при­меняют ситовой метод анализа и седиментационный (исследуется скорость оседания частиц под действием силы тяжести частиц), а также микроскопия, в некоторых случаях ультрамикроскопия.

7. Теоретические основы структурообразования в дисперсных системах

В характеристике дорожных строительных материалов особое место занимают во­просы их структуры и строения, например, изменяя структуру бетонов, можно изменить их прочностные характеристики и, следовательно, долговечность.

Под понятием структуры понимают совокупность данных о строении материала, взаиморасположение структурных элементов, их количественное соотношение и взаи­мосвязь. Или иначе, под структурой понимают расположение в пространстве отдельных элементов и характеристику сил, соединяющие эти элементы.

По масштабному уровню и методам изучения различают: макроструктуру- строение, видимое невооруженным глазом, т.е. визуально; микроструктуру - строение, видимое в оптический микроскоп, и ультромикроструктуру - внутреннее строение вещества, изу­чаемого методами электронной микроскопии.+6 вопрос

17. Характеристика химических связей дорожного бетона на уровне макроструктуры

Макроструктура системы определяется как система, состоящая из относительно крупных зерен с радиусом частиц больше 5 мм, объединенных растворной частью.

В ряде случаев при раздельной технологии получения дорожно- строительных мате­риалов выделяют мезоструктуру, в которой матрицей является вяжущее, а наполните­лем - песок с размером частиц меньше 5 мм.

На образование структуры и физико-механические свойства таких 2- компонентных систем влияют: форма частиц, фракционный состав зерен, физическое и химическое состояние их поверхности, адгезия и др. Поэтому связи остаются конденсационно- кри­сталлизационные, а для бетонов на органических вяжущих - коагуляционно- конденса­ционно- кристаллизационные.

В зависимости от содержания зерен различают структуры: базальную (с плавающим наполнителем), контактную и поровую.

В базальной структуре зерна наполнителя не образуют взаимных контактов и свой­ства материала обусловливаются преимущественно свойствами самого вяжущего. При увеличении процента заполнителя (50-60%) образуется поровая структура с максималь­ной прочностью. Дальнейшее увеличение количества наполнителя приводит к появлению воздушных пустот и переходу к контактной структуре. Структура материала не ста­бильна. Процессы, протекающие в них, определяются внешней средой и внутренней природой материалов. Они определяют внутреннее напряжение и деформации, т.е. процессы которые являются релаксационными, вследствие чего структура материала находится в неравновесном, внутренне напряженном состоянии.

8. Физико-химическая механика в дисперсных системах. Поверхностная энергия, поверхностное на­тяжение.

Изучая поверхностные процессы, нельзя не остановиться на их основе - поверхност­ной энергии и поверхностном натяжении. Поверхностное натяжение - работа, затрачен­ная на образование 1 см² поверхности раздела фаз (эрг/см² =10³н/м). Свободная по­верхностная энергия определяется уравнением:

E = J*S,

Где S -удельная поверхность; J -поверхностное натяжение.

С увеличением температуры наблюдается уменьшение поверхностного натяжения за счет ослабления молекулярных сил, в результате чего молекулы поверхностного слоя отрываются (процессы кипения, испарения). Стремление к уменьшению поверхности наблюдается и у твердых тел. В природе металлов и твердых тел- минералов границы зерен обладают избытком свободной энергии вследствие нарушения структуры, что очень важно для процессов смачивания, адсорбции, разрушения и деформации.

9. Удельная поверхность. Методы определения удельной поверхности

Для дисперсных систем одной из основных характеристик является удельная поверх­ность частиц (для портландцемента - 3500-5000 см²/г). Удельная поверхность частиц может быть определена на специальных устройствах- приборах ПСХ-2 или может быть рассчитана на основе ситового анализа. Удельная поверхность каждой фракции равна отношению поверхности всех частиц к среднему радиусу частицы данной фракции.

Удельная поверхность всех частиц определяется как сумма удельных поверхностей каждой фракции:

S=K₁S₁+... + K_nS_n,

Где S-удельная поверхность каждой фракции; К - процентное содержание данной фракции в смеси.

Таким образом, с увеличением размера частиц удельная поверхность уменьшается и наоборот. При дальнейшем дроблении дисперсной части исчезает поверхность раздела между частицей и средой и образуется гомогенная система (молекулярная смесь или истинный раствор). Явления, происходящие на поверхности раздела фаз имеют огром­ное значение, на них основаны такие процессы, как: обогащение руд, смазка, поглоще­ние вредных газов, смачивание твердой поверхности и др. По­верхностное натяжение твердого тела непосредственно замерить невозможно, но все­гда поверхностное натяжение твердого тела значительно больше, чем поверхностное натяжение жидкости.

10. Смачиваемость и мера смачиваемости

По­верхностное натяжение твердого тела непосредственно замерить невозможно, но все­гда поверхностное натяжение твердого тела значительно больше, чем поверхностное натяжение жидкости. На этом основан процесс смачивания - один из основных процес­сов получения дорожных строительных материалов.

Наблюдается 3 случая смачивания твердой поверхности жидкостью:

1- капля жидкости растекается по поверхности;

2- капля жидкости остается на твердой поверхности в виде шарика;

3- капля жидкости частично растекается.

Мерой смачивания является краевой угол смачивания, образующийся между каса­тельной к поверхности жидкости. Краевой угол отсчитывается в сторону жидкости. Ус­ловие равновесия капли на твердой поверхности при контактном смачивании опреде­ляется соотношением поверхностного натяжения на трех границах фаз (жидкой, твер­дой, твердожидкой) согласно уравнению Юнга:

Jt = J_тж+J_жCosG,

Где Jt - поверхностное натяжение твердой фазы; J ж - поверхностное натяжение жидкой фазы; Jтж -поверхностное натяжение твердожидкой фазы; G - косинус краевого угла смачивания.

Если жидкость понижает поверхностное натяжение твердой фазы, но поверхностное натяжение твердой фазы больше поверхностного натяжения твердожидкой фазы, то наблюдается смачивание твердой поверхности. Краевой угол смачивания острый (меньше,= 90°), косинус краевого угла меньше 1, поверхность гидрофильная.

В случае, когда поверхностное натяжение твердой фазы меньше поверхностного натя­жения твердожидкой фазы, краевой угол смачивания тупой, косинус угла меньше 0, но больше -1, поверхность гидрофобная. Граничным углом между смачиванием и несмачива­нием является угол 90°, полное смачивание наблюдается

при значении краевого угла = 0°, несмачивание при значении краевого угла = 160° Вся трудность определения и применения уравнения Юнга заключается в определении поверхностного натяжения твердожидкой фа­зы, которое зависит от соотношения процессов адгезии и когезии.

11. Адгезия и её роль в технологии получения дорожно-строительных материалов. Когезия

Работа адгезии характеризуется силой сцепления между двумя поверхностями. Это ра­бота по разрыву межфазного слоя в расчете на 1 см² поверхности. Формой адгезии являет­ся смачиваемость, т.е. способность прилипания жидкости к твердому телу. При разрыве образуются две поверхности и исчезают фазовые границы, что согласуется с законом Дю­пре: работа адгезии определяется суммой поверхностного натяжения твердой и жидкой фазы без поверхностного натяжения твердо-жидкой фазы. Работа адгезии тем больше, чем сильнее молекулярное притяжение жидкости к твердой поверхности, т.е. лучше смачивание.

Работа когезии характеризует силы сцепления между молекулами одного вещества и, как правило, работа когезии равна двухкратному значению поверхностного натяжения жидкости. Если работа адгезии меньше половины работы когезии, то жидкость не сма­чивает твердую поверхность.

Краевой угол шероховатой поверхности твердых тел отличается от краевого угла смачивания на идеально гладкой поверхности. Уравнение Венцеля-Дерягина определя­ет значение коэффициента шероховатости, который определяется как отношение коси­нусов краевых углов смачивания на шероховатой поверхности к углу смачивания на гладкой поверхности.

Таким образом, если краевой угол смачивания острый, то жидкость смачивает твердую по­верхность, т.е. твердая поверхность гидрофильная. Сюда относятся минералы: кварц, каль­цит, алюмосиликаты. К гидрофобным поверхностям относятся сера, графит, тальк, глина и др.

При полном растекании капли работа адгезии значительно больше работы когезии или поверхностное натяжение твердой фазы больше суммы значений поверхностного натяжения твердо-жидкой и жидкой фаз. Процесс смачивания играет большую роль в природе

и в техногенных процессах, в процессах обогащения руд, сварки и образования искусственного камня.

13. Явление адсорбции. Общие понятия и виды адсорбции. Формирование двойного слоя.

Для гетерогенных многокомпонентных систем уменьшение свободной поверхностной энергии происходит за счёт такого процесса как адсорбция.

Адсорбция - самопроизвольный изотермический процесс сгущения массы растворен­ного вещества в поверхностном слое адсорбента, которое сопровождается снижением поверхностной энергии. Увеличение концентрации растворенного вещества в поверхно­стном слое адсорбента называется положительной адсорбцией, а сам компонент по­верхностно-активным веществом. Уменьшение концентрации - отрицательная адсорб­ция, и вещество будет инактивным.

Классическое уравнение адсорбции - это уравнение Гиббса (1878г), которое показы­вает соотношение между адсорбцией и изменением поверхностного натяжения с кон­центрацией разбавленного раствора:

Г =-C/RT*dJ/dC,

где Г-адсорбция, моль/см²; С-равновесная концентрация, моль/л; R-газовая постоянная; Т- абсолютная температура, °К.

Известно графическое выражение уравнения Гиббса, которое носит название изо­термы адсорбции.

Особенность адсорбции на твердой поверхности адсорбента в том, что не все участки поверхности обладают одинаковыми адсорбционным свойствами. На твердой поверхности адсорбента имеются участки, обладающие избыточной энергией или энергией активации, поэтому существует зависимость адсорбции от размера частиц адсорбента.

Адсорбция на твердой поверхности возникает вследствие адсорбционных сил, природа ко­торых различна. Физическая адсорбция определяется силами Ван-дер-Ваальса (молекуляр­ными) и характерна для поверхностно активных веществ

(ПАВ, брома, хлора на активирован­ном угле). Физическая адсорбция обратима и малоспецифична. Она характеризуется как экзо­термический процесс, имеет низкое значение энтальпии (-10 ккал/моль). Скорость такой ад­сорбции велика и не зависит от температуры, определяется скоростью диффузии. Изменение условий приводит к смещению адсорбции в соответствие с принципом Ле-Шателье.

Химическая адсорбция обусловлена силами адсорбции, связанными с самой химической природой вещества химическими связями: ионными, ковалентными, водородными. Для хе-мосорбции характерен экзоэффект, изменение энтальпии составляет -200 ккал/моль. Ад-сорбтив прочно связан с адсорбентом до образования на твердой поверхности новых хи­мических соединений. С повышением температуры скорость химической адсорбции растет, количество адсорбтива уменьшается. Такая адсорбция называется активированной.

О величине адсорбции судят по количеству адсорбируемого вещества на единицу массы адсорбента:

Г = (со-с)у / м,

где Г-адсорбция, моль/г; (со - с) - изменение концентрации; у - объём раствора; м - масса адсорбента.

Адсорбция, кроме внешних условий (С, Т, Р), зависит от природы адсорбента и ад­сорбтива.

14. Структура дорожного бетона. Общие понятия, виды и методы исследования

В характеристике дорожных строительных материалов особое место занимают во­просы их структуры и строения, например, изменяя структуру бетонов, можно изменить ж прочностные характеристики и, следовательно, долговечность.

Под понятием структуры понимают совокупность данных о строении материала, взаиморасположение структурных элементов, их количественное соотношение и взаи­мосвязь Или иначе под структурой понимают расположение в пространстве отдельных элементов и характеристику сил, соединяющие эти элементы.

Во масштабному уровню и методам изучения различают: макроструктуру- строение, щеимое невооруженным глазом, т.е. визуально; микроструктуру - строение, видимое в оптический микроскоп, и ультромикроструктуру - внутреннее строение вещества, изучаемого методами электронной микроскопии..

20. Дорожно-композиционные материалы. Классификация и характеристика

Композиционные материалы - материалы, состоящие из 2-х или более разнородных веществ., обладающие свойствами, которых нет у исходных материалов.

Дорожные композиционные материалы - это целый класс композиционных материа­лов, основное отличие которых состоит в сочетании 2-х и более термодинамически не­совместимых вяжущих, образующих общую структуру материала. Термодинамическая несовместимость, согласно В.А.Каргину, предполагает неспособность двух веществ к образованию устойчивой однородной системы, т.е. образуется материал, способный соединяться только в виде коллоидных дисперсий или эмульсий. Это состояние опре­деляется термодинамическим выражением: т <>s < <>н ,

т.е. через энтропийный и энтальпийный факторы.

Поскольку дорожные композиционные материалы термодинамически неустойчивы^ Г несовместимы, с различным типом связей, их можно характеризовать как структуры с комплексным набором связей различной прочности, дефсрмативности, сочетающие коагуляционные, конденсационные, кристаллические связи и структуры.

Различают четыре группы дорожных композиционных материалов: -асфальтоцементные композиты (коагуляционные на органическом вяжущем и кри­сталлизационные на минеральном вяжущем); -асфальтодегтебетоны дискретной структуры (частицы обработаны вяжущими раз­личной вязкости и природы с минимальной толщиной пленки); -асфальтодегтебетоны с добавками несовместимых термодинамически, но совмес­тимых технологически органическими вяжущими в виде, например, эмульсий; бетоны, армированные дисперсными волокнами и сетками.

15. Характеристика химических связей в дорожных бетонах на уровне ультромикроскопии.

Для ультромикроскопического уровня структуры вещества характерно определенное взаимное расположение атомов, а также прочность и направленность связей между ни­ми. В зависимости от размеров атомов, природы связей между ними образуются струк­туры различной плотности.

Атомы, ионы молекулы, образующие вещество, удерживаются химическими связями, характер которых различен.

Ионная связь - образуется, когда одни атомы теряют, а другие присоединяют элек­троны и превращаются в частицу с зарядом «+» или «-». Для материалов с такой свя­зью характерны высокая механическая прочность ( оксид кальция, кальцит, сульфат кальция- ангидритовая форма, продукты гидратации портландцемента).

Ковалентная связь - образуется в случае образования общей пары электронов между двумя атомами, образуя общую внешнюю оболочку. Для таких материалов характерна плотная упаковка, высокая прочность, твердость, тугоплавкость (алмаз, кварц).

Молекулярная связь (Ван-дер-Ваальсовые силы) - возникают за счет некоторого смещения центров электрического заряда электрически нейтральных частиц - атомов или молекул. Вещества с этими связями построены из целых молекул, которые удержи­ваются друг возле друга слабыми Ван-дер-Ваальсовыми силами, следовательно, для них характерны низкая прочность и температура плавления. Это большинство органи­ческих соединений, полимеры.

Металлическая связь - переходная между ионной и ковалентной. Для вещества ха­рактерна высокая плотность, тепло- и электропроводность. Необходимо помнить, что такие определения идеализированы и в

чистом виде встречаются не часто. Например, в кальците, полевых шпатах существуют ковалентная и ионная связи. Внутри сложного карбонат-иона связь ковалентная, но сам ион кальция обладает ионной связью.

16. Характеристика химических связей дорожного бетона на уровне микроструктуры

(Желтое потом если будет время)

Исследования микроструктуры веществ показали, что энергия связи (кристалличе­ской решетки), теоретическая прочность связаны с поверхностной энергией и поверх­ностным натяжением. Рассматривая взаимодействие структурных единиц (ионов, ато­мов, молекул), расположенных внутри тела и на его поверхности, можно отметить, что в поверхностном слое эти частицы (структурные единицы) будут иметь избыток свобод­ной поверхностной энергии, аналогично, как и в растворе. Избыточная, свободная по­верхностная энергия отнесенная к единице поверхности называется удельной поверх­ностной энергией (Дж/м² =н/м).

Рассматривая микроскопию как уровень изучения композитных материалов, необхо­димо отметить классификацию структур на этом уровне по Ребиндеру. Он разделил все микроструктуры на коагуляционные, конденсационные и кристаллизационные.

Коагуляционная - это такая структура, в которой связь между частицами осуществля­ется через прослойки жидкой фазы за счет относительно слабых молекулярных сил (Ван-дер-Ваальсовые силы). Материалы с такой связью обладают подвижностью, пла­стичностью, тиксотропностью, но невысокой прочностью,

Конденсационная - структура, в которой контакт между частицами осуществляется за счет химических, валентных ионных связей. Это материалы, обладающие высокой прочно­стью, хрупкостью, необратимостью при механических и термических разрушениях.

Кристаллизационная - структура, в которой контакт между частицами образуется пу­тем срастания их с образованием пространственной сетки или каркаса с более или ме­нее правильным строением.

Все эти три типа микроструктур сочетаются в природе в реальных телах.

Важнейшим критерием качества структуры является пористость, которая определя­ется как воздухововлекаемая, капиллярная и контракционная.

Первую попытку связать механические свойства материалов с их кристаллическим строением предпринял Гриффитс. Допуская, что при разрушении материала вся энергия деформации переходит в поверхностную энергию двух вновь образованных при разру­шении плоскостей, он показал, что ориентировочно теоретическая прочность зависит от прочности материала, модуля упругости, свободной поверхностной энергии и межатом­ного расстояния. Но прочность теоретическая и практическая не всегда совпадают, т.е. чаще всего наблюдаются несоответствия, которые определяются наличием дефектов в кристаллизационной структуре материалов. В природе не существуют материалы с иде­альным кристаллическим строением.

К таким дефектам кристаллической решетки относятся линейные дефекты- дислока­ции, а также дефекты, возникающие на макроуровне - трещины, включения, неоднород­ность структуры. Эти дефекты оказывают влияние на концентрацию напряжений на ост­рие трещины и являются причиной резкого снижения прочности. Концентрация напря­жений на кончике трещины определяется в зависимости от длины и радиуса кончика трещины. Таким образом, распределение дефектов в объеме, длине, радиусе - это факторы, влияющие на прочность материала.

19. Разрушение бетонов под действием химических и биологических факторов. Виды коррозии и меры защиты

Под стойкостью бетона к коррозионному воздействию понимают способность его в течение длительного срока сохранять в условиях воздействия внешней среды необходимые структурные и физико-механические свойства, обеспечивая нормальные условия эксплуатации.

Различают физические, химические и биологические причины коррозии бетона.

Биологические факторы воздействия представляют собой воздействие органической среды в виде живых микроорганизмов, микрофлоры и непосредственно химических соединений.

К химическим факторам воздействия относятся воздействия на бетон химических активной по отношению к бетону водной или газовой среды.

Сущность коррозионного воздействия различных агрессивных факторов выражается в растворении структурных компонентов цементного камня с последующим процессом их вымывания или образования новых химических соединений, не обладающих вяжущими свойствами, а также способных растворятся в жидкой среде или кристаллизоваться, вызывая внутренние напряжения и способствуя образованию микротрещин.

Коррозия бетона подразделяется на 3 вида: коррозия выщелачивания, обменных реакций и с получением продуктов коррозии в виде кристаллогидратов.

Коррозия 1 вида в результате внешних воздействий происходит растворение ком­понентов цементного камня и их вымывание. Это связано прежде всего с процессами гидратации портландцемента и образованием гидролитического гидроксида кальция, который имеет наибольшую растворимость.

Коррозия 2 вида связана с прохождением различных обменных реакций меж­ду гидроксидом кальция и агрессивными агентами воздействия- различными кислота­ми и др. веществами, что приводит к разрушению цементного камня, к образованию но­вых соединений, не обладающих вяжущими свойствами. Чем больше растворимы про­дукты этих обменных реакций, тем быстрее разрушается бетон. К коррозии второго вида относится углекислотная коррозия, поскольку углекислота присутствует во всех водах, атмосфере. Реакция между агрессивной углекислотой и кабронатным слоем бетона идет быстро, поэтому в результате образования растворимых, кислых карбонатных со­лей идет быстрое разрушение бетона.

Коррозия 3 вида - это коррозия под воздействием солей с образованием кристалло­гидратов, объем которых значительно больше объема компонентов цементного камня.

На бетон воздействует и газовая среда, которая в сочетании с парами воды обладает агрессивными свойствами. По степени воздействия газов на бетон они подразделяются на три группы: группу газов СО2, HF, P₂O₅; группу газов, образованных элементом серы S, SОз, SО₂, и группу газов N0₂, NO, Cl₂, HCI, образующих сильные кислоты (соляная, азотная и др.).

При действии растворов щелочей коррозия развивается в результате интенсивной карбонизации в порах бетона за счет углекислого газа воздуха или, при наличии испа­ряющей поверхности, с образованием гидрокарбонатов, гидроалюминатов щелочных металлов (натрия, калия).

Повышение коррозионной стойкости бетона достигается проведением ряда меро­приятий:

- повышения плотности бетона за счет снижения водоцементного отношения;

- соблюдения технологии получения бетона (уплотнение и тщательный уход за твердеющим бетоном в начальные сроки твердения),

- применения специальных видов цемента и строгого учета роли вводимых модифи­цирующих добавок;

- применения защитных материалов для поверхности бетона от попадания газов и воды (обработка гидрофобными материалами).

18. Особенности формирования структуры бетона (3 этапа) Ле-Шателье и его последователей

Согласно теории структурообразования Ле-Шателье под структурой понимают распо­ложение первичных элементов и характер сил их соединяющих.

Такие свойства как растворимость в воде, способность реагировать с водой, терми­ческая устойчивость в определенном интервале температур, реакционная способность к другим классам химических соединений проявляется уже на молекулярном уровне раз­вития структуры.

Второй уровень образования микроструктуры - это уровень образования микрокри­сталлов или аморфных частиц. Появляется поверхность разделения фаз. Значение свободной поверхностной энергии влияет на такие свойства как прочность и плотность. Свободная поверхностная энергия определяет сорбционную способность поверхности. Например, большая скорость растворения гидроалюминатов кальция предполагает снижение водостойкости цементного камня.

Свойства поверхности минералов цементного камня определяют его поведение по отношению к жидкостям различной полярности.

На третьем уровне сложности структуры бетонов появляются образования, состоя­щие из множества частиц и порового пространства. Появляются свойства, присущие цементному камню, способному противостоять многим коррозионным воздействиям, в том числе замораживанию и оттаиванию, но именно в поровом пространстве развива­ются коррозионные процессы. Все поры в бетоне классифицируют:

1- поры цементного камня;

2- поры заполнителя;

3- контактные поры по границе раздела фаз;

4- промежутки между частицами при плохом уплотнении бетонного слоя.

По происхождению поры делятся на воздухововлекающие, гидратные и контракционные.

По форме поры определяют как изолированные, капиллярные, сквозные, ком­бинированные и поры реальной структуры.Основные виды структур бетона представлены в таблице 3.1.

Таблица3.1.Основные виды структур цементобетонов

На структуру порового пространства цементного камня влияют не только результаты внутренних процессов, но и изменения внешней среды. Масса твердой фазы постоянна, а поверхность и объем пор меняются в связи с изменением состояния и вида воды в цементном камне. Физические состояния воды: физически связанная (удаляется при 60°С); физико - химическая (адсорбционная и вода капилляров); химически связанная (кристаллизационная и конституционная). Общий объем пор определяется разностью между истинной и средней плотностью, это интегральная пористость. Дифференциаль­ная пористость - это распре-деление объема пор на интервалы по среднему радиусу.

Бетонная смесь всегда содержит избыток воды, по сравнению с тем количеством, ко­торое необходимо для гидратации клинкерных минералов и смачивания поверхности частиц, т.е. твердой поверхности. Эта избыточная вода, незаметная в момент переме­шивания и укладки бетонной смеси, начинает отделяться. Идут процессы седимента­ции, в поверхностном слое образуются прослойки воды и вода появляется под горизон­тальными поверхностями зерен заполнителя. После твердения бетонной смеси - это места образования контактных пор и основные пути миграции влаги и агрессивных рас­творов вглубь бетона. Поэтому одним из основных условий получения плотной и наибо­лее стойкой и экономичной структуры бетона является применение заполнителей с ми­нимальным объемом пустот. Это достигается правильным подбором состава бетона, соблюдением технологии приготовления бетонной смеси, режимов укладки и уплотне­ния бетонного покрытия. Например, вибрационное уплотнение позволяет при помощи возбудителя колебаний (вибратора) передавать частицам малые по величине, но час­тые, периодически повторяющиеся, импульсы. При этом создается необходимый гра­диент скорости сдвиговых деформаций, силы внутреннего трения уменьшаются, перво­начальная структура разрушается, и смесь переходит в состояние пластично - вязкового течения, т.е. становится подвижной, текучей. Транспортировка бетонных смесей тоже оказывает влияние на образование структу­ры цементного камня. Однородность бетонной смеси и предотвращение расслаиваемости зависят не только от состава бетона, но и от условий транспортировки.

Пористая структура цементного камня способствует пропусканию жидкости или газов под действием различных факторов: напора жидкости, при разности концентраций рас­творов, при изменении температур, разности влажности капиллярно - пористого мате­риала. Характеристикой структуры материала является коэффициент проницаемости. Коэффициент проницаемости - это количество жидкости или газа (флюида) которое проникает через единицу сечения в единицу времени при градиенте равном 1. Градиент - это отношение напора (м водяного столба) к длине пути, т.е. к толщине конструкции. Степень непроницаемости определяется маркой или классом бетона.