Контрольная работа по дисциплине "Материаловедение"

13.Основные физические свойства дорожно-строительных материалов (истинная плотность, средняя плотность, насыпная плотность): определение, формулы для расчета.

Истинная плотность р (г/см3, кг/м3) - масса единицы объема абсолютно плотного материала. Если масса материала т, а его объем в плотном состоянии Vа, то

Относительная плотность d выражает плотность материала по отношению к плотности воды (это безразмерная величина).

За немногими исключениями (металлы, стекло, мономинералы) строительные материалы пористы. Объем V пористого материала в естественном состоянии (т.е. вместе с заключенными в нем порами) слагается из объема твердого вещества Vа и объема пор Vп.

Средняя плотность (г/см3, кг/м3, в последующем - плотность) есть масса единицы объема материала в естественном состоянии (объем определяется вместе с порами):

Значения плотности данного материала в сухом и влажном состоянии связаны соотношением:

где WM -  количество воды в материале, доли от его массы.

Плотность пористых материалов всегда меньше их истинной плотности. Например, плотность легкого бетона - 500-1800 кг/м3, а его истинная плотность - 2600 кг/м3.

Плотность строительных материалов колеблется в очень широких пределах: от 15 (пористая пластмасса - мипора) до 7850 кг/м3 (сталь).

Насыпная плотность рн - масса единицы объема рыхло насыпанных зернистых или волокнистых материалов (цемента, песка, гравия, щебня, гранулированной минеральной ваты и т.п.). Например, истинная плотность известняка - 2700 кг/м3, его плотность 2500 кг/м3, а насыпная плотность известнякового щебня -1300 кг/м3. По этим данным можно вычислить пористость известняка и пустотность щебня, пользуясь приведенными ниже формулами.

 

5. Дайте понятие закона створа искусственных строительных материалов.

Закон створа устанавливает: оптимальной структуре соответствует комплекс экстремальных значений свойств. Его можно выразить и как соответствие комплексу наиболее благоприятных показателей строительных и эксплуатационных свойств конгломерата оптимальной структуры, На рис. закон створа представлен графически в прямоугольной плоскостной системе координат «свойства — структурный фактор».

Еще полнее он изображается в пространственной системе координат с отложением: на оси абсцисс О-(с+ф) — одной из структурных характеристик, например содержания среды, фазового отношения, толщины (абсолютной или относительной) пленки среды в свежеизготовленном материале и др.; на оси аппликат 0-(П+Щ) — содержания вяжущего или заполнителя, в % по массе; на оси ординат О-R — значений одного или нескольких технических свойств .

 

 

Полученные по экспериментальным данным графические зависимости в системе координат на плоскости или в пространстве для числовых значений каждого свойства, непосредственно связанного со структурой, имеют характер экстремальных кривых. В них имеются две ниспадающих или возрастающих ветви с максимумом или минимум числовых значений свойств между ними. Последние практически размещаются на одной прямой линии, т. е. в общем створе.

Все точки экстремумов данного свойства отражают структуру, при которой удовлетворяются необходимые требования ее оптимальности: равномерное расположение частиц, минимум дефектов; непрерывность слоя вяжущего (или среды) при минимальной его толщине с минимумом фазового отношения (с/ф-»min). Очевидно, что другие точки правой и левой ветвей экстремальной кривой не соответствуют совокупности условий оптимальности структуры.

Из графиков видно, что неоптимальных структур гораздо больше, чем оптимальных, поскольку на каждой экстремальной кривой имеется только один экстремум показателя свойств, тогда как на ветвях этой кривой, справа и слева от экстремума, имеется бесконечное

множество точек и каждая из них не соответствует условиям оптимальной структуры. Вместе с тем линия МN, соединяющая вершины отдельных экстремальных кривых, представляет собой непрерывную систему оптимальных структур и им соответствующих створов с определенными комплексами экстремумов свойств. Для конкретных строительных целей выбирается тот створ, который удовлетворяет основным показателям качества материала по техническому проекту здания или сооружения, конструкции или ГОСТа. Выбору необходимого створа помогает общий метод проектирования оптимальных составов ИСК.

У природных материалов, например горных пород (камня), такого рода непрерывно сменяющиеся системы оптимальных структур встречаются реже. Для них более частым является формирование отдельной оптимальной структуры какого-либо камня. И тогда для такой породы (песчаника, известняка и др.) действуют общие закономерности изменения свойств, аналогичные тем, которые отмечались в отношении ИСК: по мере увеличения пористости как структурного показателя снижается величина упругих деформаций, прочности, средней плотности и других свойств. Закон створа в отношении природных материалов (горных пород, минералов, древесины) действует так же, как у ИСК, т. е. он является объективной закономерностью.

Возможно обратное действие закона створа: если материал обладает одним или большим количеством экстремальных значений свойств, непосредственно отражающих его структуру, то она, следовательно, оптимальная. Нередко достаточно и одного экстремума свойств, например максимума той или иной прочности, чтобы судить об оптимальности структуры материала. Закон створа является следствием воздействия физических, физико-химических и технологических факторов и явлений.

Физическая природа явлений, обусловливающих действие закона створа, состоит в том, что при оптимальных структурах наступает уравновешивание сил притяжения и отталкивания между структурными микрочастицами. Вследствие этого значения свободной энергии Гиббса и свободной внутренней энергии Гельмгольца становятся минимальными. И тогда в данных условиях возникает равновесная система, устойчивая или иногда может быть и устойчивая, но стабильная в течение длительного времени. Чем полнее в технологический (или генетический у горных пород) период была израсходована свободная энергия с переходом ее в энергию связи между микрочастицами, тем ярче выступают экстремумы свойств как функции энергии. Положение экстремума обусловлено также минимумом микропор или других микродефектов в структуре.

Физико-химическая природа закона створа связана с поверхностной энергией, возникающей в результате дробления и измельчения исходных твердых материалов, а также под влиянием некоторых других технологических операций, например введения добавок, нагрева. Увеличение дисперсности частиц и поверхностной энергии, равной произведению прироста поверхности на величину поверхностного натяжения, повышает активность компонентов к процессам  сруктурообразования. В соответствии с принципом Гиббса-Кюри ускоряется выделение из растворов и расплавов новой, например кристаллической, фазы. Процесс же роста концентрации кристаллической фазы обуславливает упрочнение материала, повышение плотности и улучшение качественных показателей, что при оптимальных структурах приводит к возникновению комплекса экстремальных показателей свойств.

Технологическая природа закона створа (у искусственных) или генетическая природа его (у природных материалов) заключается соответственно в принудительном создании или формировании естественным путем структуры, которая характеризуется минимальным содержанием микродефектов, минимумом капиллярных пор, способных удерживать инородный ингредиент (например, влагу), оптимальной плотностью. Общий метод проектирования оптимальных составов и структур материалов обеспечивает не только заранее заданный комплекс требуемых свойств, но и их экстремальные числовые значения. Реализация запроектированного состава в технологическом процессе позволяет получать материал оптимальной структуры и на уровне заданных показателей свойств, наиболее выгодный по экономической эффективности. Последнее следует, в частности, из того, что эффективность входит в створ наилучших показателей качества материала, становясь при оптимальной структуре как бы материализованной оценкой экономической эффективности.

Закон створа позволяет создавать новые материалы со строго заданным набором и уровнем показателей свойств, улучшать качество традиционных, решать другие практические задачи.

 

36. Технические требования к строительным битумам,  их маркировка, область применения.

Физические свойства органических и неорганических вяжущих веществ и материалов, изготавливаемых на их основе, различны. Для органических веществ в отличие от минеральных характерны гидрофобность, атмосферостойкость, растворимость в органических растворителях, повышенная деформативность, способность размягчаться при нагревании вплоть до полного расплавления. Эти свойства обусловили применение органических вяжущих для производства кровельных, гидроизоляционных и антикоррозионных материалов, а также их широкое распространение в гидротехническом и дорожном строительстве.

Плотность битумов в зависимости от группового состава колеблется в пределах от 0,8 до 1,3 г/см3. Теплопроводность характерна для аморфных веществ и составляет 0,5-0,6 Вт/(м-°С); теплоемкость -1,8-1,97 кДж/кг-°С. Коэффициент объемного теплового расширения при 25°С находится в пределах от 5*10 -4 до 8-10 -40С -1, причем более вязкие битумы имеют больший коэффициент расширения. Устойчивость при нагревании характеризуется: потерей массы при нагревании пробы битума при 160°С в течение 5 ч (не более 1%) и температурой вспышки (230-240°С в зависимости от марки).

Водостойкость характеризуется содержанием водорастворимых соединений (в битуме не более 0,2-0,3% по массе). Электроизоляционные свойства используют при устройстве изоляции электрокабелей.

Физико-химические свойства. Поверхностное натяжение битумов при температуре 20-25°С составляет 25-35 эрг/см2. От содержания поверхностно-активных полярных компонентов в органическом вяжущем зависит смачивающая способность вяжущего и его сцепление с каменными материалами (порошкообразными наполнителями, мелким и крупным заполнителем). Прочные хемосорбционные связи битум образует с наполнителем из известняка, доломита с большим количеством адсорбционных центров в виде катионов Са2+ и Мg2+.

Старение - процесс медленного изменения состава и свойств битума, сопровождающийся повышением хрупкости и снижением гидрофобности. Ускоряется под действием солнечного света и кислорода воздуха вследствие возрастания количества твердых хрупких составляющих за счет уменьшения содержания смолистых веществ и масел.

Реологические свойства битума зависят от группового состава, строения. Жидкие битумы, имеющие структуру типа золь, ведут себя как жидкости, течение которых подчиняется закону Ньютона. Твердые битумы, имеющие структуру типа гель, относятся к вязкоупругим материалам, так как при приложении к ним нагрузки одновременно возникает упругая (обратимая) и пластическая (небратимая) составляющие деформации. Для описания процесса деформирования вязко-упругих тел используют реологическую модель Максвелла и др.

Химические свойства. Наиболее важным свойством является химическая стойкость битумов и битумных материалов к действию агрессивных веществ, вызывающих коррозию цементных бетонов, металлов и других строительных материалов. Битумные материалы хорошо сопротивляются действию щелочей (с концентрацией до 45%), фосфорной кислоты (до 85%), а также серной (с концентрацией до 50%), соляной (до 25%) и уксусной (до 10%) кислот. Менее стойки битумы в атмосфере, содержащей оксиды азота, а также при действии концентрированных растворов кислот (особенно окисляющих). Битум растворяется в органических растворителях. Благодаря своей химической стойкости и экономичности битумные материалы широко применяют для химической защиты железобетонных конструкций, стальных труб и др.

Физико-механические свойства. Марку битума определяют твердостью, температурой размягчения и растяжимостью.

Твердость находят по глубине проникания в битум иглы (в десятых долях миллиметра) прибора - пенетрометра.

Температуру размягчения определяют на приборе "кольцо и шар", помещаемом в сосуд с водой; она соответствует той температуре навеваемой воды, при которой металлический шарик под действием собственной массы проходит через кольцо, заполненное испытуемым битумом.

Растяжимость характеризуется абсолютным удлинением (см) образца битума ("восьмерки") при температуре 25°С, определяемым на приборе - дуктилометре.

Марку битума выбирают в зависимости от назначения. По назначению различают битумы строительные, кровельные и дорожные. Основные требования, предъявляемые к строительным и кровельным битумам, приведены в табл. 1.

Строительные битумы применяют для изготовления асфальтовых бетонов и растворов, приклеивающих и изоляционных мастик, покрытия и восстановления рулонных кровель.

Кровельные битумы используют для изготовления кровельных рулонных и гидроизоляционных материалов. Легкоплавким битумом марки БНК 45/180 пропитывают основу (кровельный картон); а тугоплавкие битумы служат для покровного слоя. Битумом пропитывали железобетонные конструкции, работающие в грунте, в частности, сваи для антикоррозионной защиты.

                                                                                                     Таблица 1

Физико-механические свойства нефтяных битумов

Марка битума	Температура размягчения (°С), не ниже	Глубина проникания иглы при 25°С, 10мм	Растяжимость (см) при 25°С, не менее
Строительные битумы
БН 50/50 БН 70/30 БН90/10	50 70 90	41-60 21-40 5-20	40 3 1
Кровельные битумы
БНК 45/1 80 БНК 90/40 БНК 90/30	40-45 85-95 85-95	140-220 35-45 25-35	не нормируется а