Материаловедение в строительстве

Материаловедение в строительстве

1. Виды пористости строительных материалов. Какие свойства зависят от пористости, как?

Пористость (П) — свойство материала, характеризующее степень заполнения его объема порами.

Пористость определяют по формуле, %:

где

По величине пористости можно качественно судить о средней плотности материала, его прочности, водопоглощении, теплопроводности и др. Пористость материалов колеблется от 0 (кварц) до 95% (минеральная вата).

Виды пористости:

1) Открытая пористость — один из показателей свойств огнеупорных изделий и кусковых материалов. Открытую пористость определяют отношением объёма открытых пор образца (пор, насыщаемых жидкостью при проведении испытаний) к объёму образца, в процентах. ГОСТ 2409–80.

Открытую пористость определяют путем водонасыщения образца, после чего вычисляют по формуле, %:

где — масса водонасыщенного образца, г; - масса абсолютно сухого образца, г; - масса образца в воде при гидростатическом взвешивании, г.

2) Закрытая пористость — отношение объема закрытых пор в огнеупоре к его общему объему, выраженное в процентах.

3) Общая пористость — отношение суммарного объёма закрытых (не насыщенных жидкостью при проведении испытаний) и открытых пор образца к его объёму, %. ГОСТ 2409–80.

По величине открытой пористости можно судить о морозостойкости, водопроницаемости и т. д. На эти свойства в значительной степени влияют не только сама величина открытой пористости, но и размер пор, их распределение в теле материала (особенно бетона). Строительные материалы при хранении, транспортировке и эксплуатации в сооружениях часто подвергаются воздействию водяных паров и воды. Увлажненные материалы тяжелее и более теплопроводны, чем сухие, скорее подвергаются разрушению, теряют свою активность, прочность, морозостойкость и др.

2. Из каких минералов состоят магматические породы? Есть ли минералы, снижающие прочность пород?

Магматические породы — это породы, образовавшиеся непосредственно из магмы (расплавленной массы преимущественно силикатного состава), в результате её охлаждения и застывания.

Большинство магматических пород, применяемых в строительстве, содержит химические соединения трех типов — кремнезем, силикаты и алюмосиликаты в виде породообразующих минералов (кварц, полевые шпаты, слюда и железисто-магнезиальные минералы).

Минеральный состав магматических пород.

Кварц — диоксид кремния (SiO2) в кристаллической форме. Он отличается высокой плотностью — около 2650 кг/м3, твердостью — 7, прочностью при сжатии-до 2000 МПа и стойкостью. При выветривании магматических пород стойкие зерна кварца не разрушаются и образуют пески. Кварц обладает несовершенной спайностью, имеет различную окраску и стеклянный блеск. При нагревании до 575 и 870 °C он переходит в другие кристаллические формы, увеличиваясь в объеме.

Полевые шпаты — алюмосиликаты, образовавшиеся в результате взаимодействия оксидов кремния и алюминия с оксидами щелочных металлов. Наиболее распространенными разновидностями полевых шпатов являются: ортоклаз (прямораскалывающийся) и плагиоклазы (косораскалывающиеся). Они имеют различную окраску, плотность 2500.2760 кг/м3, твердость 6, предел прочности при сжатии до 170 МПа, температуру плавления 1170.1550°С. Стойкость полевых шпатов значительно ниже, чем кварца. Под влиянием многократных резких смен температуры и воздействия воды и углекислоты полевые шпаты разрушаются (выветриваются).

Слюды — минералы с весьма совершенной спайностью в одном направлении, которые способны расщепляться на тончайшие упругие пластинки. Наиболее часто в составе горных пород присутствуют две разновидности слюды — мусковит и биотит. Плотность слюд 2760,.3200 кг/м3, твердость 2.3, стойкость биотита меньше, чем мусковита. При выветривании биотит переходит в гидратированную разновидность слюды — вермикулит. Присутствие слюд в горных породах понижает прочность и стойкость породы, затрудняет ее шлифовку и полировку.

Железисто-магнезиальные минералы. По химическому составу они представляют собой железисто-магнезиальные силикаты. Среди минералов этой группы наиболее распространенными породообразующими минералами являются амфиболы (чаще роговые обманки), пироксены (например, авгиты) и оливины. Минералы этой группы отличаются большой плотностью 3000.3600 кг/м3, твердостью 5,5.7,5, высокой ударной вязкостью, повышенной стойкостью против выветривания (кроме оливина). Эти же свойства они придают и содержащим их горным породам.

3. В каких условиях известь вступает в химическое взаимодействие с песком? Напишите реакцию. Как такое твердение называют? Какую прочность получают?

При естественных условиях песок в известково-песчаных смесях инертен и не способен химически взаимодействовать с известью. Поэтому приобретение прочности известково-песчаных растворов в естественных условиях достигается только за счет твердения извести. Однако в среде насыщенного пара (100% -ной влажности) при температуре 170° С и выше кремнезем песка приобретает химическую активность и начинает взаимодействовать с известью по реакции

Ca (OH) 2 + SiO2+ nН2О = CaO-SiO2-nH2O,

образуя гидросиликаты кальция — прочное и водостойкое вещество. Свойства таких бетонов близки к свойствам цементных бетонов, но они требуют меньшего расхода вяжущего, позволяют шире использовать местные материалы, стоимость же изделий ниже.

Известь. В производстве силикатобетонных автоклавных изделий применяют известь в виде молотой кипелки, пушонки, а также частично загашенного материала. Известь должна характеризоваться средней скоростью гидратации, умеренным экзотермическим эффектом, быть равномерно обожженной и отличаться постоянством своих свойств, не содержать более 5% MgO, а время ее гашения не должно превышать 20 мин. По другим показателям известь должна удовлетворять требованиям технических условий. Недожог извести влечет повышенный ее расход, однако частичное присутствие известняка не только не ухудшает качества изделий, но далее повышает их прочность. Пережог замедляет скорость гидратации извести и вызывает появление в изделиях трещин, вспучиваний и других дефектов, поэтому для производства автоклавных силикатных изделий его содержание недопустимо.

Кварцевый песок в производстве силикатных изделий применяют немолотый, в виде смеси немолотого и тонкомолотого, а также грубомолотого. Песок для силикатных автоклавных изделий должен содержать кремнезема SiO2 не менее 70%; наличие примесей отрицательно влияет на качество изделий: слюда понижает прочность изделий, ее содержание в песке не должно превышать 0,5%; органические примеси вызывают вспучивание и также понижают прочность; ограничивается содержание в песке и сернистых примесей — не более 1%. Равномерно распределенные глинистые примеси допускаются в количестве не более 10% - они не только не понижают качество силикатных изделий, но и повышают удобоукладываемость сырьевой смеси; крупные включения глины снижают качество изделий. Зерновой состав, форма и характер поверхности зерен также оказывают большое влияние на качество изделий: лучшее сцепление обеспечивают зерна с шероховатой поверхностью и предпочтительными являются горные пески. Прочность изделий зависит от их плотности, т. е. от количества пустот в песке. Максимальная плотность достигается при смешивании зерен песка различных размеров.

Вода должна быть чистой, не содержать вредных примесей.

Гидросиликатное твердение. Известково-песчаные изделия в условиях автоклавной обработки твердеют благодаря образованию гидросиликатов кальция.

Из известково-песчаных смесей производят силикатный кирпич, камни для кладки стен, силикатные плиты для облицовки фасадов, а также крупноразмерные изделия для сборного строительства — блоки и панели для стен и перекрытий и другие изделия.

4. Как из глины делают тесто для формовки кирпича? Можно ли его сразу обжигать? Как это делают?

Приготовление теста для формовки кирпича.

Глины, применяемые для производства кирпича, должны быть, по возможности, чистыми, то есть без крупных каменистых включений, а также корней и других растительных остатков. Особенно вредными являются включения известняка. Кроме того, глины должны быть пластичными, хорошо формоваться, изделия из глин не должны давать при сушке трещин.

Наиболее подходящими для производства кирпича являются глины средней пластичности (жирности). Кирпич из очень жирных глин трудно сохнет, дает трещины и коробится. При использовании очень тощих глин кирпич получается непрочный, неморозоустойчивый. Для получения пластичного глиняного теста к ней добавляют воду. Если воды слишком много, получается жидкое глиняное тесто, из которого нельзя сформовать изделий, при малом количестве воды масса не приобретает нужной связности, будет рассыпаться, Чтобы глина приобрела нормальную густоту, надо добавить строго определенное количество воды.

Под нормальной густотой понимается такое состояние глиняного теста, при котором оно легко формуется, но не прилипает к рукам.

Для определения пластичности образцу глины придают нормальную густоту и из полученного теста делают шарики диаметром 4−5 см, жгутики длиною 15−20 см и толщиною 2 см. Шарики кладут на гладкую доску и сверху медленно надавливают дощечкой, пока они не сплющатся до половины толщины. Если на смятом шарике не появится трещин, значит глина пластична, если трещины появятся — глина малопластична. Шарики из очень тощей глины разваливаются на куски. Жгутики обвивают вокруг деревянной палки диаметром около 3 см. Пластичные глины при этом не дают трещин и надрывов, тощие глины трескаются и распадаются.

О пластичности глины свидетельствует также усадка образцов при сушке. Чем глина пластичнее, тем больше воды требует она для получения теста нормальной густоты и тем больше усадка ее при сушке (усушка).

Для производства кирпича наиболее пригодны глины, имеющие 6−8% усушки. При большей усушке в глину следует добавлять отощители. В качестве отощителей можно применять песок с крупностью зерен 0,5−2 мм, просеянные или дробленые шлаки с крупностью зерен не более 3 мм, опилки.

Наличие в глине каменистых включений определяют путем просеивания подсушенной глины или отмучиванием в воде пробы глины. Включения размером более 3−4 мм нежелательны. Особенно вредны включения известняка. Для того чтобы узнать, имеется ли в каменистых включениях известняк, на остаток, полученный после просеивания или отмучивания, льют по каплям слабую соляную кислоту (10% раствор). Известняк от действия кислоты вскипает, а в большом количестве кислоты растворяется.

Глины, содержащие включения известняка, не следует использовать для производства кирпича, так как при обжиге известняк превращается в известь, которая гасится под действием влаги воздуха, увеличивается в объеме и разрушает изделие.

Глину, намеченную для производства, необходимо испытать, сделав из нее пробные кирпичи. Для этого, выкопав на месте предполагаемой добычи глины шурф (яму) глубиною на всю толщу залегания глины, делают по высоте стенки шурфа борозду, собирая всю глину из борозды, и тщательно перемешивают ее. Затем, определив пластичность глины, устанавливают необходимость добавки отощителя. Добавив, если нужно, отощитель, глину замачивают, тщательно перемешивают и формуют из нее вручную несколько кирпичей, которые высушивают в помещении и обжигают на кирпичном заводе.

Обожженный кирпич должен быть правильной формы, не иметь трещин, при постукивании металлическим предметом издавать чистый звук (звон), не размокать в воде. Более полные испытания глины и кирпича можно произвести в заводской лаборатории.

Обжиг кирпича.

Обжиг кирпича, как и всяких других глиняных изделий, заключается в постепенном и непрерывном нагревании сырца до установленной температуры (обычно до 920−980°), после чего изделия также постепенно охлаждаются. Во время обжига под действием высокой температуры в глине происходит ряд физических и химический явлений, в результате которых она меняет свои свойства и цвет. При высоких температурах отдельные частицы глины расплавляются и как бы спаивают между собой остальные, более крупные частицы глины. Благодаря этому обожженное глиняное изделие становится камнеподобным и прочным.

материаловедение строительство химическое взаимодействие Высушенный, но необожженный сырец при размачивании водой снова превращается в глину и образует пластичное тесто. После обжига пластичность и другие природные свойства глины навсегда утрачиваются и не могут быть возвращены. Глиняное изделие становится водо — и морозоустойчивым.

Условия обжига, т. е. скорость повышения и последующего понижения температуры, характеризуют режим обжига и могут быть изображены в виде диаграммы, называемой кривой обжига. Режимы обжига для разных глин, а также разных типов обжигательных печей различны и в каждом случае определяются опытным путем. Температуру обжига устанавливают заранее, при испытании глины.

Обжиг кирпича является завершающим и поэтому наиболее важным и ответственным процессом производства. Качество кирпича и количество брака во многом зависят от результатов обжига.

5. В каких случаях нужны жесткие или подвижные бетонные смеси? Как их определяют? Влияет ли на прочность бетона консистенция бетонной смеси?

Бетон — это искусственный камневидный строительный материал, получаемый в результате затвердевания предварительно перемешанной и уплотненной бетонной смеси, содержащей в заданных пропорциях вяжущее, заполнители, затворители и при необходимости различные химические и минеральные добавки. Бетонная смесь должна отвечать заданным технологическим параметрам изготовления изделий и обеспечивать требуемые показатели качества бетона после твердения в заданных условиях.

Бетонные смеси

Применяют два метода оценки удобоукладываемости:

1) Оценка удобоукладываемости по времени вибрирования (по показателю жесткости) производится с помощью технического вискозиметра, установленного на лабораторной виброплощадке, со стандартными характеристиками частоты колебаний (2800 колебаний в минуту) и амплитуды (0,35 мм под нагрузкой).

В цилиндрическую форму вставляют стандартный конус, который заполняют бетонной смесью, укладывая ее тремя последовательными слоями одинаковой высоты. Каждый слой штыкуют 25 раз металлическим стержнем с округленным концом диаметром 16 мм и длиной 600 мм. Затем конус осторожно снимают и включают вибратор. Вибрирование производят до тех пор, пока бетонная смесь, пройдя снизу внутреннего кольца, вытечет в наружный цилиндр и уровень смеси в наружном и внутреннем кольце будет одинаковым. Продолжительность вибрирования принимается за меру удобоукладываемости бетонной смеси, обозначается Ж.

При упрощенном способе на виброплощадке устанавливают и закрепляют форму для куба размером 200X200X200 мм. В форму вставляют стандартный конус и заполняют его бетонной смесью. После снятия конуса приводят в действие вибратор. Вибрирование производят до тех пор, пока бетонная смесь не заполнит углов формы, а поверхность смеси не станет горизонтальной. Время (сек), необходимое для вибрирования, умноженное на 1,5, является показателем жесткости бетонных смесей.

2) Оценка удобоукладываемости по осадке стандартного конуса (по показателю подвижности). Подвижность определяют при помощи стандартного конуса высотой 300 мм с диаметром верхнего основания 100 мм и нижнего 200 мм, изготовленного из листовой стали. Конус устанавливается на горизонтальной площадке и заполняется бетонной смесью в три слоя, как указано выше. После того как бетонная смесь уложена, а избыток смеси срезан, конус снимают и измеряют ее осадку.

Малоподвижные и жесткие бетонные смеси.

Одними из основных направлений применения такого рода смесей является изготовление плит перекрытий, особенность которых состоит в наличии повышенной пустотности, а также производство широкой номенклатуры мелкоштучных изделий, получаемых методом вибропрессования, отличающиеся высокой экономичностью.

Обладая особенно низким значением водоцементного отношения, жесткие бетонные смеси позволяют существенно сократить продолжительность твердения изделий до получения требуемой прочности. Свойство пониженного водосодержания положительно способствует экономии материальных и энергоресурсов. Жесткие бетонные смеси обладают затруднительной удобоукладываемостью и плохой формуемостью. Для оценки удобоукладываемости этих смесей метод стандартного конуса непригоден, так как осадка конуса равна нулю. Поэтому их удобоукладываемость оценивают по показателю жесткости. Для уплотнения жестких смесей требуется длительное вибрирование, вибрирование под нагрузкой, вибропрессование, вибротрамбование, т. е. интенсивное механическое воздействие.

Подвижные бетонные смеси.

Подвижные бетонные смеси (осадка конуса более 2 см) по сравнению с жесткими содержат больше воды. Это требует увеличения количества вяжущего для получения связной смеси, не расслаивающейся при уплотнении, и заданной марки бетона. Подвижные бетонные смеси хорошо уплотняются вибрированием. Литые бетонные смеси (с осадкой конуса 15−18 см) заполняют форму под действием собственного веса при незначительных механических усилиях.

Применяют при изготовлении тонкостенных конструкций, сильно насыщенные арматурой.

Технологические факторы, влияющие на прочность бетона. На прочность бетона влияет ряд факторов: активность цемента, содержание цемента, отношение воды к цементу по массе (В/Ц), качество заполнителей, качество перемешивания и степень уплотнения, возраст и условия твердения бетона, повторное вибрирование.

1. http://www.modificator.ru/terms/porosity.html

2. http://www.gosthelp.ru/text/GOST240995OgneuporyMetodo.html

3. http://www.stroy-machines.ru/content/view/171/85/

4. http://www.bibliotekar.ru/spravochnik-33/23. htm

5. http://stroitelstvo-house.ru/stroymat/14−5634.html

6. http://www.bibliotekar.ru/spravochnik-72/30. htm

7. http://www.bibliotekar.ru/spravochnik-32/29. htm

8. http://ip-romanov.ru/articles/article.1.html

9. http://brickproduction.net/archives/tag/syrec

10. http://betonprim.ru/betonnye_smesi

11. http://www.polyplast-un.ru/rus/stati-i-pubplicatsii/articles-2009/public6/

12. http://www.beton-tech.ru/article/article14. php

13. http://www.baurum.ru/_library/? cat=concreteproperties&id=250

14. Материаловедение в строительстве: учеб. Пособие для студ. высш. учеб. Заведений; под ред. И. А. Рыбьева. — М.: Изд. центр «Академия», 2006. — 528 с.