🗊Презентация Материаловедение. Лекция №1

Лекция №1 Материаловедение. Лектор: д.т.н. профессор Ткач Евгения Владимировна

Классификация строительных материалов по назначению. Основные свойства строительных материалов.

Материаловедение - это наука, изучающая связь состава, строения и свойств материалов, закономерности их изменения при физико-химических, физических, механических и др. воздействиях. Материаловедение - это наука, изучающая связь состава, строения и свойств материалов, закономерности их изменения при физико-химических, физических, механических и др. воздействиях. Строительные материалы оказывают решающее влияние на технико-экономическую эффективность, безопасность строительства и эксплуатацию зданий и сооружений. Строительные материалы составляют более 50 % сметной стоимости объектов. Данная дисциплина является первой инженерной дисциплиной, которая закладывает базу для изучения специальных дисциплин – строительных конструкций, технологии строительного производства, экономики, управления и организации строительства, архитектуры и др.

Материаловедение. Каждый материал имеет название, структуру, показатели качества или свойства, их численные значения, способы производства, условия и особенности применения и т.д. Всё это надо знать, чтобы считать себя настоящим строителем. Концепция безопасности по отношению к строительным материалам обозначает обеспечение функциональных свойств, экологической чистоты, пожаробезопасности и безвредности материалов в течение всего их срока службы. Это относится к конечной строительной продукции – конструкции, здания, сооружения, которые сделаны из строительных материалов. Поэтому для обеспечения безопасности необходимо знать функциональное назначение, условия эксплуатации конечной продукции при изучении, выборе и разработке строительного материала, что обеспечивает стабильность его показателей во время эксплуатации.

Материаловедение. Любой строительный объект должен отвечать условиям безопасности, быть функционален и экономически состоятелен. Необходимо также учитывать желание заказчика. Исходя из условий работы материала в сооружениях, строительные материалы можно разделить классифицировать по назначению и технологическому признаку на 2 группы:

Строительные материалы: 1 группа:

Теплоизоляционные: основное назначение -свести до минимума перенос теплоты через ограждающие конструкции и тем самым обеспечить необходимый тепловой режим помещения при оптимальных затратах энергии.

Акустические: (звукопоглощающие и звукоизоляционные) – снижающие уровень «шумового загрязнения» помещения.

Гидроизоляционные и кровельные: для создания водонепроницаемых слоев на кровле, подземных сооружениях и других конструкциях, которые необходимо защищать от воздействия воды или водяных паров.

Герметизирующие: для заделки стыков в сборных конструкциях.

Отделочные: для улучшения декоративных качеств строительных конструкций, а также для защиты конструкционных, теплоизоляционных и других материалов от внешних воздействий.

Специального назначения: (огнеупорные, кислотоупорные и т.д.), применяемые при возведении специальных сооружений.

Классификация. В основу классификации по технологическому признаку положены вид сырья, из которого получают материал и способ изготовления. Эти два фактора во многом определяют свойства материала и соответственно область его применения.

По способу изготовления различают материалы, получаемые: - спеканием (керамика, цемент); - плавлением (стекло, металлы); - омоноличиванием с помощью вяжущих веществ (бетоны, растворы); - механической обработкой природного сырья (природный камень, древесные материалы).

Свойства Свойства материалов имеют названия и оцениваются численными значениями, которые устанавливаются путем стандартных испытаний.

Надежность. это комплексное свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров при выполнении требуемых функций в заданных условиях эксплуатации и технического обслуживания. Она складывается из долговечности, безотказности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Долговечность. свойство объекта (изделия) сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта (срок службы). Например, для железобетонных и каменных конструкций нормами предусмотрены три степени долговечности: I – соответствует сроку не менее 100 лет; II – 50 лет; III – 20 лет.

Безотказность - свойство изделия сохранять работоспособность в определенных режимах и условиях эксплуатации в течение некоторого времени без вынужденных перерывов на ремонт. Безотказность - свойство изделия сохранять работоспособность в определенных режимах и условиях эксплуатации в течение некоторого времени без вынужденных перерывов на ремонт.

Ремонтопригодность. свойство объекта (изделия) к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния при техническом обслуживании и ремонте.

Сохраняемость свойство объекта (изделия) сохранять в заданных пределах эксплуатационные показатели в течение и после срока хранения и транспортирования установленного технической документацией.

Состав и строение материалов. Основные свойства строительных материалов (физические, механические, химические) определяются их химическим составом и строением.

В зависимости от химического состава строительные материалы принято делить на: В зависимости от химического состава строительные материалы принято делить на: органические (древесина, битум, пластмассы); неорганические (минеральные) (природный камень, бетон, керамика); - металлические ( сталь, чугун, цветные металлы).

Химический состав. неорганических веществ удобно выражать количеством содержащих в них оксидов (%). Основные и кислотные оксиды химически связаны между собой и образуют минералы, которые и определяют многие свойства материала.

Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком количестве содержаться в строительном материале.

Фазовый состав это наличие твердого вещества, образующее стенки пор т.е. «каркас» материала и поры, заполненные воздухом, газом или водой. Причем, если поры материала заполнены водой, то его, например, теплофизические свойства существенно изменяются, так же, как и влажностные деформации. Если вода в порах замерзает, то она изменяет свое фазовое состояние и возникают большие напряжения, которые весьма изменяют механические и деформативные свойства материала..

Вещественный состав составляют вещества, входящие в материал: например, многокомпонентные цементы и др.).

Состав От состава материала зависит его структура или строение, которые, в свою очередь, влияют на его свойства. В материаловедении принято использовать термин строение материала. Существует научно доказанная взаимосвязь между тремя составляющими выражения: «состав – структура – свойства».

Строение материала изучают на 3-х уровнях: 1. Макроструктура материала – строение, видимое невооруженным глазом. 2. Микроструктура материала – строение видимое в оптический микроскоп. 3. Внутреннее строение материалов – изучаемое на молекулярно-ионном уровне методами рентгенофазового анализов, рентгеноструктурного и электронной микроскопии.

Макроструктура: конгломератная (бетоны); ячеистая (газобетоны и пенобетоны, ячеистые пластмассы); мелкопористая (керамика); волокнистая (древесина, стеклопластики, минеральная вата); слоистая (фанера, слоистые пластики); рыхлозернистая (заполнители для бетона, наполнители для цементов, пластмасс и др.); макроструктура природных каменных материалов.

Микроструктура: может быть кристаллическая и аморфная. Кристаллическая форма всегда более устойчивая. Она имеет постоянную температуру плавления и определенную геометрию кристаллов (кристаллический кварц), составляющих материал. Свойства монокристаллов неодинаковы в разных направлениях. Это механическая прочность, теплопроводность, скорость растворения, электропроводность. Явление анизотропии является следствием особенностей внутреннего строения кристаллов.

Внутреннее строение материалов: может быть в виде кристаллических решеток. Она может быть образована: нейтральными атомами (одного и того же элемента, как в алмазе или различных элементов как SiO2); ионами (разноименно заряженных, как в СaCO3, или одноименными, как в металлах); целыми молекулами (кристаллы льда). От внутреннего строения зависят основные свойства материалов. Оно может изучаться методами рентгеноструктурного анализа, на сканирующем, растровом микроскопах-микроанализаторах и др.

Основные свойства строительных материалов. В строительстве применяют разнообразные материалы. Чтобы облегчить изучение их особенностей, технические свойства материалов удобно свести в следующие группы: физические, механические, физико-химические и химические.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Параметры состояния К ним относятся свойства, которыми обладает материал в естественном состоянии.

Параметры состояния. Истинная плотность

Параметры состояния. Относительная плотность

Структурные характеристики. Почти все строительные материалы имеют поры. Объем пористого материала V (см3; м3) в естественном состоянии (то есть вместе с порами) слагается из объема твердого вещества Vа и объема пор Vп: V = Vа + Vп

Пористость. Степень заполнения объема материала порами П = Vп/ Vе   Пористость выражают в долях от объема материала, принимаемого за 1, или в % от объема.  

Определение пористости. Экспериментальный (прямой) метод определения пористости основан на замещении порового пространства в материале сжиженным гелием, ртутью или другой средой. Для сравнения в табл. 1 приводятся параметры состояния некоторых строительных материалов.

Определение пористости. Экспериментально-расчетный метод определения пористости использует найденные опытным путем значения плотности (%) высушенного материала: П = (1 – ρm / ρ) · 100 , (%) Пористость строительных материалов колеблется в широких пределах от 0 (стеклопластик) до 98% (вспененный полимер).

Коэффициент плотности. Кпл. – степень заполнения объема материала твердым веществом Кпл. = ρm / ρ ρm - средняя плотность, (г/см3, кг/м3); ρ – истинная плотность(г/см3, кг/м3). В сумме П+ Кпл. =1 (или 100%), т.е. высушенный материал можно представить состоящим из твердого каркаса, обеспечивающего прочность, и воздушных пор. Пористый материал обычно содержит открытые и закрытые поры. Открытые поры материала сообщаются с окружающей средой, могут сообщаться между собой, поэтому они заполняются водой при обычных условиях насыщения (погружении в ванну с водой).

Пористость. Открытая пористость

Гидрофизические свойства Строительные материалы в процессе их эксплуатации и хранения подвергаются действию воды или водяных паров, находящихся на воздухе. При этом их свойства существенно изменяются. При увлажнении материалов их повышается теплопроводность, изменяются средняя плотность, прочность и другие свойства.

Гигроскопичность Гигроскопичностью называют свойство капиллярно-пористого материала поглощать водяной пар из окружающего воздуха. Такой процесс называют сорбцией. Он обратим. А влага, которую получает материал во время этого процесса, называется сорбционной влажностью. Гигроскопичность и сорбционная влажность измеряются в %. К сильно гигроскопичным материалам относятся древесина, вяжущие вещества.

Капиллярное всасывание Это способность материала всасывать и передавать по своей толще влагу с помощью тонких капиллярных пор. Так грунтовые воды могут подниматься по бетонным, железобетонным и кирпичным стенам на значительную высоту. Для защиты конструкций от увлажнения в результате капиллярного всасывания необходимо тщательно изолировать материал от источника увлажнения с помощью гидроизоляционных материалов. Эти процессы увеличивают влажность строительных материалов, которая бывает по объему и по массе.

Влажность называется количество влаги внутри материала по отношению к его объему (V) или массе (mс) высушенного материала. (Относительное содержание влаги в материале). Единица измерения – %. Это свойство можно отнести к параметрам состояния.

Влажность Влажность по объему:

Водопоглощение Водопоглощение – способность материала поглощать и удерживать воду. Единица измерения – %. Водопоглощение определяют по объёму и массе. Очень важным свойством является водопоглощение строительных материалов. Особенно это касается стеновых материалов: бетонов, кирпича, древесины. Водопоглощение определяется выдерживанием образца в воде до постоянной массы.

Водопоглощение по массе:

Водопоглощение отрицательно влияет на основные свойства строительных материалов, увеличивается плотность, материал набухает, его теплопроводность возрастает, а прочность и морозостойкость понижаются. Водопоглощение отрицательно влияет на основные свойства строительных материалов, увеличивается плотность, материал набухает, его теплопроводность возрастает, а прочность и морозостойкость понижаются. Водопоглощение используют для оценки структуры материала, используя коэффициент насыщения пор водой.

Коэффициент насыщения пор водой равен отношению водопоглощения по объёму к пористости:   Кн = Wо/П   По коэффициенту насыщения пор водой можно достаточно косвенно оценивать морозостойкость материала: если Кн < 0,6, то можно считать, что материал морозостойкий; если 0,6 < Кн < 0,8, то материал имеет сомнительную морозостойкость, а если Кн > 0,8, то материал неморозостойкий.

Коэффициент насыщения пор водой Эти утверждения основаны на рассуждениях о величине заполнения пор водой: чем больше пор заполнены водой, тем вероятность разрушения материала больше после замерзания в порах воды. Материалы наружных несущих ограждающих конструкций после дождей насыщаются водой. Для обеспечения безопасности требуется знать, будет ли снижаться прочность материала стены.

Водостойкость способность материала, насыщенного водой, сохранять свою прочность. Степень понижения прочности материала характеризуется коэффициентом размягчения - Кр, который связывает прочность материала, насыщенного водой - Rв и прочность материала в сухом состоянии - Rс.

Коэффициент размягчения равен отношению предела прочности материала в водонасыщенном состоянии, к пределу прочности в сухом состоянии:   Кр = Rнас / Rсух   Коэффициент размягчения характеризует водостойкость материала: если Кр > 0,8, то материал водостойкий и снижение прочности после водонасыщения не превышает 20 %; если 0,6 < Кр < 0,8, то материал имеет сомнительную водостойкость; если Кр < 0,6, то можно считать, что материал неводостойкий и после увлажнения потеря прочности составляет 40 и более процентов.

Водопроницаемость. это свойство материала пропускать воду под давлением. Коэффициент фильтрации Кф (м/ч – размерность как у скорости) характеризует водопроницаемость материала: Кф = Vв· а / [S (p1 – p2) t], где Кф = Vв - количество воды (м3), проходящей через стенку площадью S=1 м2, толщиной а = 1м за время t = 1ч при разности гидростатического давления на границах стенки p1 – p2 = 1м вод. ст.

Водонепроницаемость. это способность материала сопротивляться фильтрации воды под давлением (МПа). Это свойство очень важно для бетонов. Оно характеризуется маркой по водонепроницаемости при одностороннем гидростатическом давлении, при котором образец не пропускает воду. Существуют марки по водонепроницаемости: W2, W4, W6, W8, W10, W12, W14, W16, W18, W20. Между коэффициентом фильтрации и маркой по водонепроницаемости имеется определенное соотношение: чем ниже коэффициент фильтрации, тем выше марка по водонепроницаемости. Водонепроницаемость не допускают при строительстве гидротехнических сооружений. Стремятся применять достаточно плотные материалы с замкнутыми порами, устраивают гидроизоляционные слои.

Газо- и паропроницаемость. Паропроницаемость и газопроницаемость - способность материала пропускать через свою толщу водяной пар или газы (воздух). Величина, численно равная количеству водяного пара (в мг), проходящего за 1 ч через слой материала площадью 1 м2 и толщиной 1м при условии, что температура воздуха у противоположных сторон слоя одинаковая, а разность парциальных давлений водяного пара равна 1 Па. Vρ = Kr S t Δp/a Коэффициент газопроницаемости: Kr = a V ρ / S t Δp (г /м · ч ·Па)

Морозостойкость. способность материала сопротивляться разрушению под действием многократного попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии. Морозостойкость материала количественно оценивается циклами и соответственно маркой по морозостойкости. За марку материала по морозостойкости принимают наибольшее число циклов (F от слова frost – мороз) попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы материала без снижения прочности на сжатие более 15% и потери массы – не более 5%. Морозостойкость напрямую связана с водопоглощением материала: чем выше водопоглощение, тем ниже морозостойкость.

Теплофизические свойства. Главным теплофизическим свойством для строительных материалов – термическое сопротивление ограждающей конструкции теплопередаче R.

Термическое сопротивление теплопередаче. способность конструкции противостоять движению тепла через нее. В настоящее время оно устанавливается в СНиП для каждого региона. Для условий Москвы оно установлено 2,5 (м2 · оС)/Вт. На основании этого показателя происходит теплотехнический расчет конструкции стены. Требуемое значение термического сопротивления теплопередаче Rо или термического сопротивления делают толщину стен достаточно большой, поэтому в индустриальном строительстве применяют двух- и трехслойные ограждающие конструкции с использованием эффективного утеплителя (минераловатных плит, плит из пенопласта).

Теплотехнический расчет конструкции стены: Rо/r – (1/αв + 1/αн) = ∑ δi/λ i   r – коэффициент однородности стены: для однослойной стены r = 0,9; для двухслойной стены r = 0,8; для трехслойной и более стены r = 0,7; αв и αн – теплоотдача внутренней и наружной поверхности стены; δi – толщина каждого слоя стены, м; λ i – теплопроводность каждого слоя стены, Вт/(м · оС). По этой формуле находится толщины каждого слоя и всей стены, так как все остальные значения известны. Теплопроводностью – λ называют способность материала передавать теплоту от одной поверхности другой. Она зависит от влажности материала: чем выше влажность, тем больше теплопроводность.

Теплопроводность. Теплопроводность материала характеризуется количеством теплоты, которое способен передать материал через 1м2 поверхности при толщине 1м и разности температур на противоположных поверхностях 1 оС. На практике удобно судить о теплопроводности по плотности материала. Известна формула В.П. Некрасова, связывающая теплопроводность λ Вт/(м · оС) с относительной плотностью d:   _____________________ λ = √( 1,16· 0,0196 + 0,22·d 2 ) - 0,16

Теплоемкость. это способность материала аккумулировать тепло при нагревании и отдавать его при остывании.

Удельная теплоемкость. это количество теплоты - Q кДж/(кг · оС) , которое необходимо сообщить 1 кг материала - m, чтобы повысить его температуру на 1 оС - Δt, Иными словами –   c = Q / m · Δt   Существуют различные условия, где строительные материалы могут работать при повышенных температурах. При этом они должны обладать тугоплавкостью или огнеупорностью.

Тугоплавкость. Тугоплавкостью называют способность материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры от 1350 до 1580 оС. Единица измерения – оС.

Огнеупорность. Огнеупорность – способность материала выдерживать длительное воздействие температуры более 1580 оС, не размягчаясь и не деформируясь. Единица измерения – оС.

Огнестойкость. способность материала при пожаре выдерживать в течение времени соприкосновение с огнем до начала серьезных деформаций и обрушения конструкций. Огнестойкость имеет категории. Единица измерения – часы, ч. При пожаре развиваются высокие температуры: около 1000 оС; при горении полимеров – до 2000 оС; при горении алюминия – 3000 оС. Не сгораемые материалы – это бетон, керамический кирпич.

Деформативные и физико-механические свойства. Строительные материалы и конструкции подвергаются различным внешним воздействиям и нагрузкам. Нагрузки в свою очередь вызывают деформации и внутренние напряжения.

Нагрузки. Нагрузки могут быть статическими, т.е. действующими постоянно, и динамическими, возникающие внезапно и вызывающие силы трения. Статические нагрузки действуют от массы стен, перекрытий, оборудования и т.п. Ряд сооружений предназначен для восприятия не только статических, но и эксплуатационных динамических нагрузок: мосты, туннели, дорожные и аэродромные покрытия. Статические нагрузки действуют независимо от времени, динамические же главным образом зависят от длительности воздействия: от долей до нескольких секунд, вызывая колебания и смещения сооружений (ударная волна ядерных взрывов и землятресения).

Деформативные свойства: упругость пластичность хрупкость модуль упругости температурные и влажностные деформации деформации ползучести и усадки.

Упругость. Упругостью твердого тела называется его свойство деформироваться под нагрузкой и самопроизвольно восстанавливать форму после прекращения внешнего воздействия. Она является обратимой деформацией. Единица измерения – МПа. Количественной мерой упругости служит модуль упругости Е.

Пластичность. Пластичность – это свойство твердого тела изменять свою форму и размеры под действием внешних сил без нарушения сплошности структуры. После снятия нагрузки образуется остаточная необратимая деформация - пластическая деформация. Единица измерения – МПа.

Хрупкость. Хрупкость твердого тела называют его способность разрушаться без образования заметных остаточных деформаций (пластических). Единица измерения – МПа. Рассмотрим связь строения и деформативных свойств материала. Внешние силы, приложенные к телу, вызывают изменение межатомных расстояний, отчего происходит изменение размеров деформируемого тела на величину Δl в направлении действия силы (при сжатии - укорочение, при растяжении – удлинение).

Относительная деформация. равна отношению абсолютной деформации Δl к первоначальному размеру l ε = Δl / l [безразмерная величина или мм/м].

Напряжение. - мера внутренних сил, возникающих в деформированном теле под воздействием внешних сил. Для твердых и упругих тел с увеличением напряжений σ пропорционально возрастают и относительные деформации ε: σ = E· ε , где   σ – напряжение, МПа; E – модуль упругости, МПа (модуль Юнга), характеризующий жесткость материала. Величина модуля упругости зависит от структуры материала: чем выше энергия межатомных связей, тем больше модуль упругости.

Влажностные деформации. Под действием окружающей среды, при изменении влажности материала могут возникать влажностные деформации усадки (усушки).

Усадка. уменьшение размеров материала при высыхании. Единица измерения – мм/м, иногда– %.

Набухание. увеличение размеров материала при увлажнении. Единица измерения – мм/м, иногда – %.

Ползучесть. Изменение размеров материала под действием его собственной массы называется ползучестью. Единица измерения – мм/м, иногда – %.

Физико-механические свойства Физико-механические свойства являются очень важными для строительных материалов, также как и гидро- и теплофизические. Они определяются для конструкций, которые являются либо несущими, либо основанием для какого-то покрытия и т.д. К ним относятся прочность при сжатии, при чистом изгибе, при трехточечном изгибе, растяжении.

Прочность. способность материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами. Ее оценивают пределом прочности – максимальным напряжением в испытуемом образце материала в момент его разрушения. Единица измерений – кгс/см2, МПа. Предел прочности материала определяют на образцах, форму и размеры которых устанавливают стандарты на этот материал (для бетона кубы 150*150*150мм; цемент (раствор) 40*40*160мм; горные породы – образцы цилиндры).

Прочность сжатие

Прочность. Для оценки эффективности материала используется показатель называемый удельной прочностью Rуд. или коэффициентом конструктивного качества Кк.к. – отношение показателя прочности R (Мпа) к относительной плотности (безразмерная величина) Rуд. = Кк.к. = R / d   Единица измерений удельной прочности – кгс/см2, МПа. К наиболее используемым физико-механическим свойствам можно отнести твердость материалов.

Твёрдость Твёрдостью называют свойство материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого материала. Твердость природных каменных материалов оценивают шкалой Мооса, представленной 10 минералами (возрастающая твердость от 1 до 10), из которых каждый последующий своим острым концом царапает все предыдущие.

Шкала Мооса: Тальк Mg3[Si4 O10].[OH2] – легко царапается ногтем Гипс CaSO4 .2H2O – царапается ногтем Кальцит CaCO3 – легко царапается стальным ножом Флюорит (плавиковый шпат) CaF2 – царапается стальным ножом под небольшим нажимом Апатит Ca5 [PO4]3 F – царапается ножом под сильным нажимом, стекло не царапает Ортоклаз K[AlSi3O8] – стальным ножом не царапается, при сильном нажиме царапает стекло Кварц SiO2 – легко царапает стекло Топаз Al2 [SiO4].[ F,OH]2 Корунд Al2O3 } – применяются в качестве абразивных материалов Алмаз C

Твердость Твёрдость древесины, металлов, керамики, бетона и других материалов определяют, вдавливая в них стальной шарик (метод Бринелля), алмазную пирамиду (методы Роквелла и Виккерса). Твёрдость определяется нагрузкой, отнесенной к площади отпечатка. Единица измерения – МПа. Чем выше твердость, тем ниже истираемость строительных материалов. Истираемость – И оценивается потерей первоначальной массы образца материала, отнесенной к площади поверхности истирания F и вычисляется по формуле, г/см2: И = (m1 – m2) / F, где m1 и m2 – до и после истирания, г.