В зависимости от химического состава принято выделять органические и неорганические вещества.
Органические вещества представляют собой соединения углерода с другими элементами (преимущественно водородом, кислородом и азотом). Можно считать, что все органические вещества ведут свое начало от продуктов фотосинтеза растений (глюкозы, крахмала и т- Д-)> т. е. все органические вещества представляют собой не окисленные как минеральные (каменные) вещества, а восстановленные вещества, аккумулировавшие энергию солнца и отдающие ее при окислении (горении, гниении).
Среди строительных материалов из органических веществ чаще всего применяется древесина и битум. В XX в. появились и быстро завоевали прочные позиции полимерные материалы, синтезируемые из продуктов переработки нефти, угля и т. п. С точки зрения строителя органические вещества имеют серьезные недостатки.
При нагреве или под действием ультрафиолетовых лучей они способны окисляться кислородом воздуха, а при температурах выше 200…300 °С большинство органических соединений горит (горение — это тот же процесс окисления, но протекающий очень быстро и сопровождающийся концентрированным выделением теплоты, провоцирующим продолжение горения).
Химия 51. Химический состав цемента. Кристаллогидраты — Академия занимательных наук
Органические вещества (за исключением большинства синтетических полимеров) могут служить питательной средой для живых организмов. При развитии на органических материалах грибов или микроорганизмов происходит гниение — ферментативное окисление этих материалов.
Принципиально сущность процесса горения и гниения одна и та же — это окисление, но протекающее с разной скоростью и при разных температурах.
Из сказанного можно заключить, что долговечность органических материалов невелика. Однако многие положительные свойства органических материалов (невысокая плотность, относительно высокая прочность, легкость обработки и др.) с давних пор привлекали и привлекают до сих пор к ним внимание строителей.
Неорганические (минеральные) вещества, применяемые в строительстве (керамика, природный камень и др.), представляют собой соединения уже окисленных химических элементов — в основном оксидов кремния и алюминия с оксидами металлов. Например, песок — оксид кремния Si02; глина — водный алюмосиликат — А1203 * nSi02 * wH20; стекло — вещество, состоящее из оксида кремния, оксида натрия, оксида кальция и некоторых других оксидов. Будучи уже в окисленном состоянии, они не способны окисляться, т. е. гнить и гореть. В этом отношении они устойчивее (долговечнее) органических веществ. Однако их переработка в изделия, как правило, более трудоемка и энергоемка, чем переработка органических материалов.
Кристаллические и аморфные тела. Все вещества состоят из мельчайших частиц — атомов и молекул. В зависимости от степени упорядоченности расположения атомов (или молекул) твердых веществ различают кристаллические и аморфные (стеклообразные) тела.
Кристаллическими называют тела, в которых атомы (или молекулы) расположены в правильном геометрическом порядке, причем этот общий порядок соблюдается как для атомов, расположенных в непосредственной близости друг от друга (ближний порядок), так и на значительном расстоянии (дальний порядок).
Химический состав стали
Аморфными называют тела, в которых только ближайшие друг к другу атомы находятся в более или менее упорядоченном расположении; дальний же порядок отсутствует.
Процесс кристаллизации можно представить следующим образом. При переходе вещества из жидкого состояния в твердое (например, при застывании расплава металла) или при выпадании твердого вещества в осадок из насыщенного раствора (например, при твердении гипса) атомы и молекулы вещества стремятся занять такое положение относительно друг друга, чтобы силы их взаимодействия оказались максимально уравновешены. Поэтому их положение относительно друг друга оказывается вполне определенным, фиксированным.
Такой геометрически правильный и повторяющийся в пространстве порядок расположения атомов (молекул) называют кристаллической решеткой (рис. 2.1).
Процесс кристаллизации требует определенного времени. В некоторых случаях (например, при быстром охлаждении расплавленного кварца) затвердевание происходит без кристаллизации с сохранением хаотического расположения атомов и некоторого запаса внутренней энергии. Так образуется аморфное вещество — в нашем случае кварцевое стекло.
Рис. 2.1. Схема кристаллической решетки:
Различие в строении кристаллических и аморфных веществ определяет и различие в их свойствах. Так, аморфные вещества, обладая нерастраченной внутренней энергией кристаллизации, химически более активны, чем кристаллические такого же состава. Например, расплав доменного шлака, используемый для получения шлаковых цементов, охлаждают по специальному ускоренному режиму для получения гранулированного шлака стеклообразного строения, обладающего повышенной химической активностью. Аморфное строение имеют также горные породы, применяемые в качестве активных минеральных добавок к цементам (туфы, пемзы, диатомиты, трепелы).
Другое существенное различие между аморфными и кристаллическими веществами состоит в том, что кристаллические вещества при нагревании до определенной температуры (температуры плавления) плавятся, а аморфные размягчаются и постепенно переходят в жидкое состояние (для них не существует понятия температура плавления).
Прочность аморфных веществ, как правило, ниже прочности кристаллических, поэтому для получения материалов повышенной прочности специально проводят кристаллизацию стекол, например, при получении ситаллов и шлакоситаллов — новых стеклокристал-лических материалов.
Различные свойства наблюдаются у кристаллических материалов одного и того же состава, если они кристаллизуются в разных кристаллических формах. Это явление называют полиморфизмом. Например, существуют две кристаллические формы углерода: алмаз и графит.
Резкое отличие в их свойствах связано с различным строением кристаллов: атомы алмаза имеют плотнейшую тетраэдрическую решетку (рис. 2.1, а), а атомы графита расположены как бы слоями, причем расстояние между слоями больше, чем между соседними атомами в слоях (рис. 2.1, б). Такое строение графита придает ему мягкость и способность расслаиваться на тончайшие пластинки.
Изменением свойств материала путем изменения его кристаллической структуры пользуются при термической обработке металлов (закалке, отпуске и т. п.).
Микро- и макроструктура материалов. Под структурой материала подразумевают взаимное расположение, форму и размер частиц материала, наличие пор, их размер и характер. Структура материала не в меньшей степени, чем состав, влияет на его свойства.
Различают микроструктуру — строение материала, видимое только под микроскопом, и макроструктуру — строение, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении.
Поры — один из важнейших элементов структуры большинства строительных материалов — представляют собой воздушные ячейки в материале размером от долей микрона до сантиметра. Количество, размер и характер пор (замкнутые или сообщающиеся) во многом определяют свойства материала. Например, пористое стекло (пеностекло) в отличие от обычного непрозрачное, легкое (плавает в воде) и может распиливаться обычной пилой.
Крупные поры размером более 5 мм и полости между частицами зернистых материалов (песка, гравия и др.) называют пустотами.
Форма и размер частиц твердого вещества, из которого состоит материал, также влияют на свойства материала. Так, из хрупкого стекла можно получить тончайшие гибкие волокна, из которых изготовляют стеклянную ткань.
В зависимости от формы и размера частиц и их строения различают: зернистые, волокнистые и слоистые материалы.
По степени связности частиц материалы могут быть рыхлые, состоящие из отдельных зерен или волокон (песок, гравий, минеральная вата, распушенный асбест), и слитного строения, примером которых может служить бетон, керамика, асбестоцемент. Среди материалов слитного строения выделяют конгломераты и композиты.
Конгломераты — материалы, представляющие собой плотно соединенные (обычно с помощью какого-нибудь цементирующего вещества) отдельные зерна. Типичным конгломератом является бетон и строительный раствор. В этих материалах зерна песка и крупного заполнителя (щебня или гравия) прочно соединены в единое целое при помощи вяжущего, например цемента. Конгломератом можно считать и керамику.
Композиты — материалы с организованной структурой. В композитах различают компонент, образующий непрерывную фазу, называемую матрицей и играющую роль связующего, и второй компонент, дискретно распределенный в матрице,— упрочняющий компонент. В роли матрицы в строительных композитах используют полимерные и минеральные вяжущие; в роли упрочняющего компонента — волокнистые (стекловолокно, отрезки металлической проволоки, асбестовое волокно и т. п.) или листовые (бумага, древесный шпон, ткани) материалы.
Матрица, с одной стороны, является формообразующей частью композиционного материала, а с другой стороны, матрица — связующее, которое «заставляет» дискретный компонент работать как единое целое, обеспечивая высокую прочность материала. В композиционных материалах достигается совокупность свойств, не являющаяся простой суммой свойств исходных составляющих. Примером искусственных композитов может служить стеклопластик, железобетон, асбестоцемент. Природным композиционным материалом можно считать, например, древесину и костную ткань животных.
Волокнистые и слоистые материалы, у которых волокна (слои) расположены параллельно одно другому, обладают различными свойствами в разных направлениях. Это явление называется анизотропией, а материалы, обладающие такими свойствами,— анизотропными. Пример анизотропного материала волокнистого строения — древесина. Она набухает и дает усадку поперек волокон в 10…15 раз больше, чем вдоль; прочность и теплопроводность древесины в разных направлениях различается более чем в 2 раза.
Источник: stroy-server.ru
Химический и минеральный составы
Строительные материалы характеризуется также химическим и минеральным составами, определяющими наиболее эффективные области их применения.
Основные и кислотные оксиды при определенных условиях в результате взаимодействия между собой могут образовывать минералы, определяющие большинство строительно-технических свойств материалов.
Минералы — продукты с индивидуализированными атомномолекулярным строением и свойствами, образовавшиеся в результате природных, искусственных или техногенных реакций, протекающих при наличии определенных условий (температура, давление и др.).
Классификация структуры
Свойства строительного материала зависят от многих факторов, знание которых является необходимым условием для определения области применения материала с целью обеспечения наибольшего технико-экономического эффекта от его использования в конкретных изделии, конструкции, строительном объекте.
Строение материала описывает понятие структура, которую в зависимости от размеров структурных составляющих и применяемых методов их изучения можно разделить на макроструктуру, микроструктуру, тонкую структуру, или внутреннее строение (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Структура и методы ее изучения
Макроструктура материала представляет собой строение, видимое невооруженным глазом или с применением оптических приборов, кратность увеличений которых не превышает 30 раз (лупа). Макроструктуру изделий можно изучать непосредственно на поверхности, на изломах и после предварительной подготовки (шлифы).
Анализ изломов позволяет установить характер и в ряде случаев проанализировать причину появления дефектов (например, трещин) или разрушения. Изучая поверхность детали, изделия, конструкции или поверхность разрушения, можно выявить усадочные трещины, раковины, поры, инородные включения, размеры и форму крупных кристаллов. Визуальный анализ позволяет быстро установить появление брака на стадии изготовления. К таким дефектам относятся отклонение от требуемой геометрической формы, дефекты при сварке и при поверхностной обработке металлических изделий и конструкций, неточная установка закладных деталей в железобетонных изделиях и конструкциях, недостаточное уплотнение отформованных бетонных изделий и др. Используя специально приготовленные образцы (шлифованные и травленые), обнаруживают трещины, химическую неоднородность, волокнистость, распределение зерен крупного и мелкого заполнителей в бетоне, однородность распределения ячеек, в том числе по размерам, в пено- и газобетоне, и т.п.
При макроанализе можно одновременно наблюдать большую поверхность и получить представление об общем строении материала. Чаще всего это является предварительным видом исследования и позволяет выбрать участки для дальнейшего более детального анализа с привлечением других методов. Поэтому исследование макроструктуры, несмотря на свою простоту, является очень ценным методом изучения материалов.
Макроструктура твердых строительных материалов (без учета природных каменных материалов, имеющих собственную геологическую классификацию, и без учета металлических материалов) является определяющим фактором в их классификации по назначению и может быть следующих типов: конгломератная, ячеистая, мелкопористая, волокнистая, слоистая, рыхлозернистая (порошкообразная).
Искусственные конгломераты — обширная группа материалов, состоящих из частиц и зерен различных размеров, неупорядоченно расположенных в пространстве, с устойчивыми связями между ними, и объединяющая бетоны различного вида, ряд керамических и других материалов.
Ячеистая структура характеризуется наличием макропор в виде искусственно созданных ячеек размером 0,5. 3,0 мм, свойственных газо- и пенобетонам, ячеистым пластмассам. Наиболее предпочтительны тонкодисперсные размеры ячеек (0,3. 0,6 мм и менее), обеспечивающие более высокую прочность и низкую теплопроводность материала за счет отсутствия составляющей конвективного теплообмена.
Мелкопористая структура свойственна, например, керамическим материалам, поризованным способами высокого водозатворения и введением выгорающих добавок.
Волокнистая структура присуща древесине, стеклопластикам, изделиям из минеральной ваты и др. Особенностью этих материалов является анизотропия свойств в различных направлениях — резкое различие прочности, теплопроводности и других свойств вдоль и поперек волокон. Такие материалы в своем большинстве характеризуются высокой прочностью на растяжение.
Слоистая структура отчетливо выражена у рулонных, листовых, плитных материалов, в частности, у пластмасс со слоистым наполнителем (текстолита и др.).
Рыхлозернистые материалы — крупный и мелкий заполнители для бетона, зернистые и порошкообразные материалы для мастичной теплоизоляции, засыпок и др.
Микроструктура веществ, составляющих материал, может быть кристаллической и аморфной и определяет в основном его строительно-технические свойства, связанные с деформативностью (усадка, ползучесть, морозостойкость и др.). Кристаллическая форма является более устойчивой.
Тонкая структура, или внутреннее строение, определяет расположение элементарных частиц в кристалле и электронов в атоме. Она оказывает определяющее влияние на механическую прочность, твердость, упругость, тугоплавкость и другие главные свойства материала и изучается дифракционными методами: рентгенография, электронография, нейтронография и др. Например, информацию о строении кристаллов получают из анализа дифракционной картины, получаемой при взаимодействии атомов кристалла с короткими волнами (А, = Ю’ 10 . 10′ 12 м) рентгеновских лучей, электронов или нейтронов.
Использование различных методов структурных исследований дает возможность собрать важную информацию о строении реальных материалов.
Существуют два рода признаков классификации кристаллов: физические и кристаллографические. В основе физических признаков лежат род частиц в узлах кристаллической решетки и силы взаимодействия между ними. Кристаллографические признаки связаны с расположением частиц в пространстве.
Для твердых тел обычным и устойчивым состоянием является кристаллическое. Кристаллы характеризуются упорядоченным расположением частиц в строго определенных точках пространства, которые образуют кристаллическую решетку. Кристаллической решеткой называется расположение частиц, характеризующееся периодической повторяемостью в трех измерениях.
Поэтому можно выделить ячейку, трансляцией которой в пространстве можно построить весь кристалл. Элементарной ячейкой называется наименьший объем, трансляцией которого в трех измерениях можно полностью воспроизвести структуру кристалла. Точки, в которых находятся частицы, входящие в состав кристалла, называются узлами кристаллической решетки.
Для кристаллов характерен дальний порядок в расположении атомов. Кристаллические тела сохраняют приданную им форму до вполне определенной температуры — температуры плавления, при которой они переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении.
В физике твердыми телами обычно называются только кристаллические тела. Для твердого тела характерна, как известно, способность сохранять не только объем, как это наблюдается у жидкости, но и форму. За одним-единственным исключением (гелий) все вещества при достаточно низких температурах переходят в твердое состояние.
Это означает, что когда скорости тепловых движений частиц становятся малыми, силы взаимодействия между ними настолько ограничивают перемещения атомов, что тело приобретает способность сохранять свою форму и восстанавливать ее после того, как действие внешней силы изменит ее. Способность сохранять форму (упругость формы) является главным внешним отличием твердых тел от жидких и газообразных. Кроме того, твердые тела обладают многими другими свойствами, отличающими их от жидких тел.
Это, впрочем, относится не ко всем твердым телам. Существуют вещества, которые по признаку сохранения формы должны быть отнесены к твердым телам, но которые во всем остальном не отличаются от жидкостей. К этим веществам относятся аморфные тела. Хотя они могут быть твердыми в обыденном смысле, рассматриваются как очень вязкие жидкости.
Аморфные тела не имеют определенной температуры плавления, при нагревании они постепенно размягчаются, вязкость их уменьшается. Кристаллические тела имеют определенную температуру плавления, неизменную при постоянном давлении. Свойства аморфных тел одинаковы по всем направлениям: аморфные тела изотропны.
Свойства кристаллов неодинаковы по различным направлениям: кристаллы анизотропны. Анизотропия кристалла связывается с различными расстояниями между атомами в разных кристаллографических направлениях. Скорость распространения света, коэффициенты теплопроводности, модуль упругости и многие другие физические свойства кристалла сильно зависят от направления в нем.
Кристаллы можно получить различными способами, например, охлаждением жидкости. При таком охлаждении, если не принять специальных мер предосторожности, в жидкой фазе возникает множество зародышей, или центров кристаллизации, вокруг которых происходит образование твердой фазы. Возникает множество мелких кристаллов, сливающихся друг с другом и образующих так называемое поликри- сталлическое тело. Хотя каждый из кристаллов, образующих такое тело, анизотропен, но ввиду хаотичности их ориентации поликристалли- ческое тело в целом является изотропным. Если кристаллы ориентировать определенным образом, например, путем прокатки, то возникает так называемая текстура, и поликристаллическое тело становится анизотропным.
Если в охлаждаемую жидкость ввести затравку — маленький кристаллик, то кристаллизация начинается на нем, и можно вырастить большой монокристалл правильной формы. Для этого необходимо, чтобы условия роста кристалла были одинаковыми на всех его поверхностях, что может быть достигнуто вращением затравки в растворе. При выращивании больших монокристаллов металлов и полупроводников затравку очень медленно, со скоростью нескольких миллиметров в час, выдвигают в вертикальном направлении из нагревательной печи.
Кристалл каждого вещества характеризуется некоторыми свойственными ему признаками.
Одним из отличительных признаков кристалла является, как было означено выше, упорядоченное расположение частиц в строго определенных точках пространства, образующих кристаллическую решетку.
Другими такими признаками, как это заметил еще М.В. Ломоносов, являются углы между гранями и, как следствие этого, характерная форма каждого кристалла. Если из кристалла, имеющего определенную характерную форму, например форму ромбоэдра, выточить шарик и поместить его в насыщенный раствор вещества кристалла, то форма кристалла будет стремиться восстановиться.
Причиной такого восстановления формы кристалла является хорошо известное условие устойчивости равновесия термодинамической системы: условие минимума потенциальной энергии. Для кристаллов это условие выражено в принципе, сформулированном Гиббсом, Кюри и Вульфом: поверхностная энергия кристалла должна быть минимальной. Характерные для данного кристалла условия минимума поверхностной энергии соответствуют его структуре: углам между гранями и т.д. Этот принцип является определяющим в процессах твердения вяжущих веществ, протекания коррозионных процессов, адсорбции химических добавок, например, пластификаторов на поверхности минералов частиц клинкера и их гид- ратных фаз и т.п.
При помещении кристалла в насыщенный раствор или в расплав между твердой и жидкой фазами устанавливается динамическое равновесие: атомы из твердой фазы переходят в жидкую фазу, а из жидкой — в твердую; но осаждение из жидкой фазы идет так, что образуется система с минимумом потенциальной энергии, т.е. получается характерная для данного вещества форма кристалла и все бывшие нарушения этой формы исчезают, поэтому шарик в описанном опыте стремится превратиться вновь в ромбоэдр или другую характерную для него кристаллическую форму.
Восстановление формы кристалла происходит даже и в отсутствие раствора, из которого молекулы оседают на кристалл. Если повредить кристалл, срезав в некоторых местах выступающие части, а затем нагреть кристалл до достаточно высокой температуры, лишь на несколько градусов ниже точки плавления, то замечается, что форма кристалла в некоторой степени восстанавливается. Происходит миграция атомов по поверхности, и перемещающиеся атомы располагаются так, что образуется структура с минимумом потенциальной энергии, т.е. характерная для данного вещества правильная форма кристалла.
Если условия роста кристалла неодинаковы в разных точках его поверхности, то форма растущего кристалла может быть отличной от характерной формы, хотя углы между основными гранями остаются такими, как и при правильной форме.
В кристалле каждый атом имеет несколько ближайших соседей. Число этих ближайших соседей называется координационным числом.
В отличие от кристаллических тел, которые характеризуются дальним порядком, т.е. правильной повторяемостью расположения атомов на больших расстояниях, аморфные тела, подобно жидкостям, обладают лишь ближним порядком — упорядоченное расположение частиц распространяется только на соседние атомы. К числу таких веществ, называемых аморфными, относятся стекло, различные смолы, пластмассы.
Некоторые вещества могут находиться в кристаллическом и в аморфном состояниях. Свойства некоторых материалов находиться в различных состояниях (модификациях), например алмаз и графит, называется полиморфизмом. Примером такого вещества является также диоксид кремния Si02. Кристаллы Si02 — это кварц, имеющий правильную кристаллическую структуру (рис. 1.2, а).
Аморфное кварцевое стекло (рис. 1.2, б) имеет структуру, состоящую из тех же элементов, т.е. имеет тот же ближний порядок (рис. 1.2, б), но эти элементы соединены между собой по-разному, дальний порядок отсутствует.
Рис. 1.2. Структуры кристаллического кварца (а) и аморфного кварцевого стекла (б)
Особенно сильно отличаются кристаллические и аморфные тела по своим тепловым свойствам. Кристаллические тела обладают вполне определенной температурой плавления. График плавления кристаллического вещества всегда имеет горизонтальную площадку, показывающую постоянство температуры плавления во все время этого процесса.
Аморфные тела не имеют определенной температуры плавления. Однако при нагревании аморфное тело постепенно размягчается, его молекулы все легче и легче меняют своих ближайших соседей, вязкость его уменьшается и при достаточно высокой температуре оно может вести себя как маловязкая жидкость. График плавления аморфного тела не имеет горизонтальной площадки. Следовательно, твердые аморфные тела можно рассматривать как жидкости с аномально большой вязкостью, благодаря которой они при обычных или низких температурах не могут течь. Они полностью изотропны.
Аморфные тела встречаются обычно в виде двух форм — компактной и дисперсной. Представителем компактной формы является стеклообразное состояние, дисперсной — сажа, аморфные бор и кремний. Компактное аморфное состояние представляет собой сильно переохлажденную жидкость.
В нем отсутствует подвижный обмен местами между отдельными структурными ассоциациями, что обуславливает высокую вязкость. В дисперсном аморфном состоянии (тонкий порошок, состоящий из агрегатов, не имеющих упорядоченного строения) химическое взаимодействие отсутствует.
Обе формы аморфного состояния вещества в термодинамическом отношении метастабильны и при благоприятных условиях способны кристаллизоваться с выделением тепла. Поэтому многие вещества могут быть переведены из аморфного состояния в кристаллическое, и наоборот. Так, например, обычное аморфное стекло после выдержки при определенной температуре «рас- стекловывается», превращается в мелкие кристаллики и становится мутным. Используя специальные режимы охлаждения и добавки определенного вида, получают слабозакристаллизованные стекла — ситал- лы с высокой ударной прочностью.
Аморфные тела можно подвергать закалке. Если аморфное вещество нагреть до достаточно высокой температуры, при которой установится некоторое определенное расположение молекул, и затем быстро его охладить, то расположение молекул, существовавшее перед охлаждением, сохраняется.
Такое состояние будет неравновесным, переход в равновесное состояние для таких аморфных веществ обычно происходит весьма медленно и практически не достигается. Поэтому состояние, полученное после закалки, может сохраниться долгое время. Объем тела при высоких температурах больше, чем при низких.
При быстрой закалке поверхностный слой охлаждается быстрее внутренних объемов, образуя твердую оболочку. При охлаждении внутренних объемов они сжимаются, и между ними и уже затвердевшей оболочкой создаются значительные напряжения, которые могут привести к разрушению тела. Наличие внутренних напряжений создает анизотропию, что хорошо наблюдается оптическими методами. Такие напряжения можно ликвидировать новым нагреванием и последующим очень медленным охлаждением. Например, при изготовлении оптических линз больших размеров для астрономических инструментов процесс охлаждения стеклянной заготовки длится несколько месяцев.
Источник: bstudy.net
1 Составы строительных материалов
Различают несколько видов составов сырьевых материалов и готовых изделий: элементный (вещественный), химический, минералогический, фазовый, гранулометрический.
1.1 Элементный или вещественный состав, как совокупность химических элементов составляющих вещество. Элементный или вещественный состав определяет природу вещества, т.е. показывает, какой это материал – минеральный, органический или же имеющий сложный состав.
Например, в состав неорганических каменных материалов природных или искусственных (гранит, мрамор, кирпич керамический, бетон и др.) входят следующие химические элементы: кремний (Si), алюминия (Al), кальция (Ca), магния (Mg), железа (Fe), кислорода (O); органических (битум) — углерод (С); водород (Н), кислород (О), сера (S), азот (N).
В табл. 2 представлен химический состав углеродистой и низколегированной стали. Физико-механические свойства арматурной стали зависят от химического состава (табл.3).
Примерный групповой состав битума:
Карбены и карбоиды 1-3%
Асфальтеновые кислоты и ангидриды 1%.
Таблица 1 Химические составы и характеристики некоторых материалов
Таблица 2 Химический состав углеродистой и низколегированной стали
Массовая доля элементов, %
Таблица 3 Механические свойства арматурной стали
Класс арматурной стали
Предел текучести
Временное сопротивление разрыву
Относительное удлинение ,%
Равномерное удлинение , %
Ударная вязкость при температуре
Испытание на изгиб в холодном состоянии
(с — толщина оправки,
1.3 Минералогический состав как совокупность природных или искусственных соединений (минералов). Минералы – природные или искусственные химические материалы, отличающиеся однородным составом и свойствами.Эта характеристика дает более полную информацию о материале. Зная минералогический состав можно отличить один материал от другого и предопределить не только физические и химические свойства сырья и материалов, но и более специфические характеристики, технологические свойства.
Портландцемент – гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельчения клинкера с добавкой двуводного гипса (3-5 %).
В составе клинкера портландцемента преобладают такие минералы как:
алит – 3CaO·SiO2(илиC3S) – самый важный минерал клинкера, определяющий быстроту твердения, прочность и др. свойства портландцемента, содержится в клинкере в количестве 45-60%;
белит — 2CaO·SiO2(илиC2S) – второй по важности и содержанию (20-30 %) силикатный минерал клинкера. Он медленно твердеет, но достигает высокой прочности при длительном твердении портландцемента;
целит- 3CaO·Al2O3(C3A) – самый активный клинкерный минерал, быстро взаимодействует с водой, содержится в количестве 4-12%, является причиной сульфатной коррозии бетона;
четырехкальциевый алюмоферрит — — 4CaO·Al2O3·Fe2O3(C4AF) –характеризуется умеренным тепловыделением и по быстроте твердения занимает промежуточное положение междуC3SиC2S, содержится в клинкере в количестве 10-20 %.
1.4 Фазовый состав как совокупность гомогенных частей системы, однородных по свойствам и физическому строению. Фазовый состав – структурная характеристика материала, сырья. Если структуру составляют несколько фаз, то между ними заметна линия или граница раздела.
На микроуровне можно различить разнородные группы кристаллов и границу их раздела, кристаллов и стеклообразных соединений и площадь их контакта. Граница раздела предопределяет физические, химические и термические свойства материалов, веществ. На макроуровне рассматривают три основные фазы: твердую, жидкую и газообразную.
Например, фазовый состав материала и фазовые переходы воды, находящиеся в его порах, оказывают влияние на все свойства и поведение материала при эксплуатации. В материале выделяют твердые вещества, образующие стенки пор, т.е «каркас» материала, и поры заполненные воздухом и водой. Если вода замерзает, то образующийся в порах лед изменяет механические и теплофизические свойства материала, увеличение объема замерзающей воды вызывает внутренние напряжения, способные разрушить со временем материал.
1.5 Гранулометрический состав – сочетание в сыпучей смеси зерен либо гранул различных размеров и формы. Зерна по размерам по размерам подразделяют на группы (фракции). Гранулометрия рассматривает как свойства отдельных зерен, так и характеристики смеси в целом.
Каждое зерно характеризуется размером, формой, плотностью, химическим и минералогическим составом. В любой смеси имеются максимально крупные и минимально мелкие зерна, их определяется ситовым анализом. Для характеристики сыпучей строительной смеси в зависимости от средней величины зерен в ней используют следующие технические термины:
мука – продукт тонкого помола, например, известняковая мука — известняковых горных пород;
пыль – отсев, например, при ситовом анализе песка зерен размером менее 0,14 мм;
порошок – специально подготовленная сыпучая смесь определенного состава;
песок – мелкозернистая сыпучая смесь зерен с размерами св. 0,14 мм до 5 мм;
гравий — неорганический зернистый сыпучий материал с зернами крупностью св. 5 мм, форма зерен окатанная;
щебень — зернистый сыпучий материал с зернами крупностью св. 5 мм, форма зерен рваная;
гравийно-песчаная смесь – сыпучая смесь, содержащая как песок, так и гравий;
крошка, зерно — отдельная частица материала определенных формы и размеров;
гранула – искусственно полученное зерно.
Для характеристики сыпучей смеси определяют зерновой состав, фракционный состав, удельную поверхность, сыпучесть, насыпную плотность, пустотность:
зерновой состав– состав, содержащий зерна практически любых размеров и образующий непрерывную гранулометрию. Зерновой состав характеризуется в основном размерами зерен и их формой, например, основные размеры зерен песка речного кубанского от 0,14 до 0,63 мм, форма зерен окатанная;
фракционный состав- состав смеси, в которой зерна, близкие по размерам, образуют фракции, прерывистую гранулометрию. Фракционный состав характеризуется размерами фракций и их количеством, например, фракционный состав щебня фракция 15-10 мм – 20 % , фр.10-20 мм – 40%, фр. 20-40 мм – 40%;
удельная поверхность– суммарная поверхность зерен. Различают внешнюю удельную поверхность зерен и полную с учетом пористости зерен, м 2 /кг, см 2 /г, например, удельная поверхность цемента 2500-3000 см 2 /г;
насыпную плотность– масса сыпучего материала в единице замкнутого объема:
ρ нас. =m·/V, кг/м 3 (г/см 3 ),
где m – масса сыпучего материала, кг (г),
V – объем сыпучего материала, м 3 .
Например, насыпная плотность песка ρ нас =1300 кг/м 3 (песок кубанский речной), портландцемента – ρ нас =3100…3300 кг/м 3 ;
пустотность– суммарный объем пустот, образующихся в результате свободной укладки сыпучего материала, отнесенный к его полному объему:
где α – пустотность, ед. или %,
Vп– объем пустот, м 3 ,
Vсм– полный объем смеси, м 3 .
Пустотность не зависит от размера зерен, а зависит от их формы, количества и размера фракций, а также от способов укладки смеси;
сыпучесть– способность смесей растекаться при свободной укладке, формовании или складированию. Сыпучесть характеризуется углом естественного откоса, β. Угол естественного откоса зависит от размеров и формы зерен, состояния их поверхности, насыпной плотности и влажности сыпучей смеси. Угол естественного откоса некоторых сыпучих материалов:
щебень β = 40…45 град.;
гравий β = 35…40 град.;
крупный β = 30…35 град.;
средний β = 25…30 град.;
мелкий β = 25 град.
Сыпучесть гравия выше, чем щебня, благодаря более окатанной форме его кусков, а сыпучесть песка зависит от его крупности. С увеличением влажности сыпучесть мелкозернистых смесей, имеющих большую удельную поверхность, сначала уменьшается в большей степени, чем крупнозернистых, за счет вытеснения водой воздушных прослоек и уменьшения коэффициента трения смеси.
В технологии строительных материалов сыпучие смеси, используемые в качестве заполнителей, наполнителей, добавок т.д., оказывают существенное влияние на формирование заданной плотности или пористости структуры материала. Для получения плотной структуры необходимо использовать двух- или многофракционные смеси, так как пустоты, образующиеся между крупными зернами, заполняются зернами меньших размеров, увеличивая плотность, например, набор из трех различных рассчитанных фракций может дать плотность около 81 %, из 4-х и более фракций – до 85 % и выше. Однако практически высокую плотность сухой сыпучей смеси получить трудно по следующим причинам:
Источник: studfile.net