Контрольная работа по дисциплине "Материаловедение"

53. Что такое поро- и пенопласты? Какие теплоизоляционные материалы получают на основе полимеров?

Ячеистые пластмассы подразделяются в зависимости от характера пор на пенопласты и поропласты. Пенопласты имеют преимущественно закрытые поры в виде ячеек, разделенных тонкими перегородками. К поропластам относятся ячеистые пластмассы с сообщающимися порами. Имеются материалы со смешанной структурой.

В ячеистых пластмассах поры занимают 90-98% объема материала, а на стенки приходятся всего лишь 2-10%, поэтому ячеистые пластмассы очень легки и малотеплопроводны (теплопроводность 0,026-0,058 Вт/(м-°С)). В то же время они водостойки, не загнивают; жесткие пено- и поропласты достаточно прочны, гибки и эластичны. Особенностью теплоизоляционных пластмасс является ограниченная температуростойкость. Большинство из них горючи, поэтому необходимо предусматривать конструктивные меры защиты пористых пластмасс от непосредственного действия огня.

Ячеистые пластмассы в виде плит и скорлуп применяют для утепления стен и покрытий, теплоизоляции промышленного оборудования и трубопроводов при температурах до 60°С.

Теплоизоляционный слой пенопласта толщиной 5-6 см, имеющий массу около 2-3 кг/м3, - эквивалент слою 14-16 см из минеральной ваты или ячеистого бетона. Поэтому масса 1 м2 трехслойной панели, утепленной ячеистой пластмассой, снижается на 20-50 кг.

Пористые пластмассы можно пилить, резать обычными способами, а также проволокой, нагреваемой электрическим током. Они хорошо склеиваются с бетоном, асбоцементом, металлом, древесиной. Это значительно упрощает изготовление крупных панелей ограждающих конструкций.

Из полимеров впускают следующие теплоизоляционные материалы: пенополиуретан, сотопласты, пенополистирол, пенополивинилхлорид, мипору.

73.Приведите классификацию неорганических (минеральных) вяжущих веществ.

Неорганическими вяжущими веществами называют порошкообразные материалы, которые при смешивании с водой образуют пластично-вязкое тесто, способное со временем самопроизвольно затвердевать в результате физико-химических процессов. Переходя из тестообразного в камневидное состояние, вяжущее вещество скрепляет между собой камни либо зерна песка, гравия, щебня. Это свойство вяжущих используют для изготовления: бетонов, силикатного кирпича, асбоцементных и других необожженных искусственных материалов; строительных растворов - кладочных, штукатурных и специальных.

Неорганические вяжущие вещества делят на воздушные и гидравлические.

Воздушные вяжущие способны затвердевать и длительное время сохранять прочность только на воздухе. По химическому составу они делятся на четыре группы: гипсовые вяжущие, основой которых является сернокислый кальций; магнезиальное вяжущее, содержащее каустический магнезит МgО; жидкое стекло - силикат натрия или калия (в виде водного раствора); известковые вяжущие, состоящие главным образом из оксида кальция СаО.

Гидравлические вяжущие твердеют и длительное время сохраняют прочность (или даже повышают ее) не только на воздухе, но и в воде. По своему химическому составу гидравлические вяжущие вещества представляют собой сложную систему, состоящую в основ- ном из соединений четырех видов: СаО-SiO2-А12Оз-Fе2Оз. Эти соединения образуют три основные группы гидравлических вяжущих: силикатные цементы, состоящие преимущественно (на 75%) из силикатов кальция; к ним относятся портландцемент и его разновидности - главные вяжущие современного строительства; алюминатные цементы, вяжущей основой которых являются алюминаты; главным из них является глиноземистый цемент и его разновидности; гидравлическая известь и романцемент.

В отдельную группу выделяют вяжущие автоклавного твердения - это вещества, способные при автоклавном синтезе, происходящем в среде насыщенного водяного пара, затвердевать с образованием плотного, прочного камня. В эту группу входят: известково-кремнеземистые, известково-зольные, известково-шлаковые вяжущие, нефеленовый цемент и др., хотя по существу они тоже относятся к гидравлическим вяжущим.

97. Структура и свойства  обычного тяжелого  цементобетона.

Обычный (тяжелый) бетон получил наибольшее применение в промышленном, гидротехническом и дорожном строительстве, в производстве сборного и монолитного железобетона.

В структуре тяжелого бетона 20 ... 30 % его объема занимает цементный камень, а 70 ... 80 % приходится на долю заполнителя. В цементном камне и цементном растворе имеется также капиллярно-поровая часть, которая образуется в результате испарения свободной воды, недоуплотнения смеси и усадочных явлений. Дополнительно создаются воздушные поры (1 . . . 2 %), равномерно распределенные в объеме бетона и возникшие в процессе перемешивания бетонной смеси с воздухововлекающими добавками, которые вводят для повышения морозостойкости бетона, В структуре бетона выделяют контактные зоны (шириной до 50 ... 65 мкм), микроструктура цементного камня в которых несколько отлична от такой же структуры в объеме цементного камня и характеризуется повышенной концентрацией кристаллической фазы и пониженным содержанием микропор. Контактный слой может отличаться химическим составом кристаллической фазы, что зависит от минерального состава заполнителя.

Таким образом, структура тяжелого цементного бетона неоднородна, что связано с неоднородностью составляющих его компонентов (щебень, песок, цементный камень), а также дефектами, возникающими в процессе технологии его производства и эксплуатации. Это оказывает влияние на показатели механических свойств и долговечность бетона. Основными показателями качества тяжелого бетона являются прочность на сжатие и растяжение, деформируемость, морозостойкость, водонепроницаемость и др.

Прочность бетона — одно из главных его строительно-технических свойств, которое определяет способность бетона противостоять внешним  механическим  усилиям. Разрушение бетона — это процесс появления неустойчивого и неравномерного развития микротрещин в местах концентрации напряжений, что ведет к постепенному ослаблению структуры бетона. В настоящее время, предъявляя требования    к   прочности   бетона,   обычно определяют его марку (ГОСТ 26633-85), Марка бетона определяется пределом прочности при сжатии стандартных бетонных   кубов,   изготовленных   из   рабочей бетонной смеси в металлических формах и  испытанных в  возрасте  28  сут после твердения в нормальных условиях  (температура 15 ... 20°С, относительная влажность окружающего воздуха 90 . .. 100 %). Обычно   марку определяют как среднее значение  при испытании  трех образцов. В   этом  случае  для  определения  марки бетона   вводят   следующие   переходные коэффициенты:   0,85    —  для   куба   размером 7x7x7 см;   0,95 - для куба 10х10х10 см; 1,05 - для куба 20x20x20 см. Для тяжелого бетона установлены следующие  марки  по  прочности на сжатие (кгс/см2): М50, М75, М100, М150, М200, М250, МЗОО, М350, М400, М450, М500, М550, М600, М700, М800. В обозначении марки используют  букву М. Например, марка бетона М550 означает, что его предел    прочности    при сжатии     не менее: 550 кгс/см2. По прочности на осевое растяжение    тяжелый    бетон    может    быть следующих марок   (кгс/см2): Рt5, Рt 10, Рt 15,  Рt 20, Рt 25, Рt ЗО, Рt 35, Рt 40, Рt 45, Рt 50.

Бетон для дорожных покрытий, изгибаемых железобетонных конструкций дополнительно характеризуют марки по прочности на растяжение при изгибе.

Прочность бетона на растяжение при изгибе определяется путем испытания образцов-призм квадратного сечения размерами 10x10x40, 15x15X60 и 20х20х х80 см. При этом за базовый принимают образец 15x15x60 см, испытуемый при расстоянии между опорами 45 см. Однако технологический процесс изготовления бетонных изделий чрезвычайно сложен, так как на показатели прочности бетона оказывает влияние около 100 различных факторов. Технология изготовления бетонов в значительной степени случайный процесс, вследствие чего показатели прочности бетона имеют статистический разброс или статистическую неоднородность. Поэтому введено понятие класса прочности бетона, обычно широко используемого в проектах, который связан с маркой (средней прочностью бетона).

Чем меньше коэффициент вариации, тем однороднее бетон. Класс бетона одной и той же марки существенно увеличивается, если удается снизить коэффициент вариации. Например, при марке по прочности на сжатие МЗОО и коэффициенте вариации 18 % получают бетон класса В 15, а при коэффициенте вариации 5 % — класса В20. Это подчеркивает необходимость тщательного выполнения всех технологических операций, повышения технического уровня и культуры производства бетонных работ. Таким образом, чем меньше показатель вариации бетона на данном заводе, тем лучше работает завод, тем большую экономию цемента он получает.

ГОСТ 26633—85 устанавливает следующие классы тяжелого бетона по прочности на сжатие: В3.5; В5; В7,5; В10; 812,5; В15; В20; В25; ВЗО; В35; В40; В45; В50; В55; В60. Класс по прочности на сжатие обозначают буквой В, справа от которой приписывают его прочность (МПа). Так, у бетона класса В15 предел прочности при сжатии не ниже 15 МПа с гарантированной обеспеченностью 0,95. В необходимых случаях (для тяжелого, напрягающего, мелкозернистого и легкого бетонов) устанавливают также класс бетона по прочности на осевое растяжение, обозначаемый индексом Вt. Для тяжелого бетона приняты следующие классы: Вt 0,8; Вt 1Д; Вt 1,6; Вt 2; Вt 2,4; Вt 2,8, Вt 3,2. Цифра обозначает предел прочности при осевом растяжении (МПа).

Показатель прочности бетона зависит не только от свойств материала, но и от методики испытания, т. е. способа изготовления образцов, качества форм, условий твердения и влажности, конструкции и особенностей пресса, условий взаимодействия поверхности образца и пресса, скорости нагружения и др. С уменьшением скорости нагружения показатели прочности уменьшаются, приближаясь к некотором, пределу — длительной (долговременной) прочности бетона Rд. Допускаемые напряжения в бетонной конструкции должны быть меньше этой - величины, однако ее определение затруднено, так как требуется длительное время для получения показателя К . Поэтому прочность бетона определяют при строгом соблюдении стандартно» методики (ГОСТ 10180-78).

Предел прочности на осевое растяжение для тяжелых бетонов в 8 ... 20 раз меньше прочности при сжатии. Прочность при растяжении изменяется в большей степени, чем прочность при сжатии, в зависимости от наличия микротрещин и других дефектов в структуре бетона. Поэтому соотношение этих величин RСЖ/Rp может служить показателем качества '(дефектности) структуры бетона. Чем больше RСЖ/Rp, тем больше дефектов в структуре бетона, тем ниже его качество. Соотношение Rсж/Rизг колеблется в пределах 6. ..10.

Прочность бетона как материала конгломератного строения зависит от прочности отдельных его составляющих (цементного камня, зерен щебня и песка), прочности сцепления между ними, а также особенностей структуры бетона в целом.

Прочность бетона прямо пропорциональна активности цемента (рис. 7.4). С понижением водоцементного отношения до определенного предела прочность бетона данного состава и при данном способе уплотнения повышается. Количество воды для процессов гидролиза и гидратации цемента составляет 10 ... 20 % его массы (В/Ц = 0,10 . . . 0,25). Однако в этом случае смесь получается жесткой и трудно обрабатываемой, ее трудно перемешивать, укладывать в опалубку и уплотнять. При этом структура бетона формируется неплотной и пониженной прочности.

Оптимальное водоцементное отношение, при котором прочность бетона наибольшая, определяется условиями удобообрабатываемости смеси. При обычных условиях уплотнения (вибрирования) оптимальное В/Ц находится в пределах 0,4 ... 0,5, а при усиленном уплотнении (вибропрессовании, виброштамповании)— 0,25 ... 0,4. Если в бетоне значение В/Ц выше оптимального, создается избыток свободной воды, которая увеличивает пористость цементного камня, а следовательно, понижает прочность бетона. При обычной технологии приготовления смесей применительно к бетонам 28-суточного возраста значения коэффициентов k и с могут быть определены по табл. 7.3.

При твердении в нормальных условиях прочность бетона после 3 сут твердения, как установил проф. Б. Г. Скрамтаев, увеличивается пропорционально логарифму числа суток твердения.

Для ряда конструкций, в том числе дорожных плит, важное значение имеет усталостная прочность бетона — его способность сопротивляться воздействию многократных переменных нагрузок. Эти нагрузки расшатывают структуру бетона, вследствие чего он разрушается при более низких напряжениях, чем от однократного нагружения. Взаимосвязь между разрушающими напряжениями а и количеством циклов нагружений 1ч, приложенных до разрушения бетона, представлена на рис. 7.7. Если σу =Rt (где Rt — прочность, характеризующая однократное разрушение бетона при скорости нагружения, равной скорости нарастания напряжений в пределах одного цикла), бетон разрушается за один цикл. С уменьшением σу возрастает количество циклических нагружений N до разрушения бетона. Если σу <Ry (где Ry —физический предел усталости, при котором бетон практически не разрушается), то бетон не только не разрушается при циклическом нагружений, но наблюдается некоторое упрочнение, обусловленное микро-пластическими деформациями в структуре, уменьшающими концентрацию напряжений в бетоне.

Усталостная прочность бетонов возрастает с улучшением однородности бетонов больше, чем статическая. Высокая усталостная прочность характерна для мелкозернистых бетонов естественного твердения, приготовленных на известняковом и шлаковом щебне. Особенно отрицательно влияют на усталостную прочность низкая прочность сцепления между составляющими, увеличение неоднородности их свойств. Уменьшение водоцементного отношения, введение в смесь поверхностно-активных веществ способствуют некоторому повышению усталостной прочности, увлажнение бетонов резко уменьшает ее. У воздушно-сухих бетонных образцов при многократном нагружений (1 млн циклов) σу = 60 . . . 70 %, у водонасыщенных σу = 25... 40 % прочности однократного нагружения, определяемого в стандартных условиях.