Сырьевые материалы, поступающие на переработку 5 страница

! щ Оценка технологических свойств производится условными мето-Щ'дами и приборами с указанием названия прибора, температурных жусловий испытания, скорости нагружения при испытании и др. На |" практике нередко ограничиваются также визуальными оценками Л технологических свойств. Однако при массовом производстве и при- Ш. менении материалов (бетонных смесей, асфальтобетонной массы,;; ■ полимерных композиций и др.) пользуются специальными прибо-: >: ': рами и методами испытаний с выражением технологических свойств. в виде числовых показателей.

Таким образом, строительные материалы обладают многообраз­ными свойствами. Но между свойствами каждого материала, осо­бенно при оптимальной структуре, имеется не только различие, но и тесная взаимосвязь. Последняя характеризуется определенными закономерностями, что позволяет нередко оценивать заданный ка­чественный показатель по другому или комплексу других свойств этого материала. На рис. 4.5 показана зависимость теплопроводно­сти от средней плотности органических и неорганических материа­лов разной влажности, а на рис. 4.6 — зависимость предела проч­ности при сжатии от средней плотности известняков в сухом состоянии. При необходимости этим и другим аналогичным графиче­ским зависимостям могут быть приданы математические выраже­ния в виде эмпирических формул с определением по ним числовых значений свойств, если заданы или известны другие.

4.5. Определение качества материалов по свойствам

Качество материала оценивают по совокупности показателей свойств, которые получены при испытаниях с помрщью, как прави­ло, стандартных методик. Существуют стандарты, в которых для большинства материалов установлены рекомендуемые или обяза­тельные методы испытаний. Имеются также стандарты на каче­ственные характеристики каждого материала, выпускаемого в мас­совых количествах. В государственных общесоюзных стандартах (ГОСТах) приводятся все основные сведения для качественной ха­рактеристики материала и нередко сообщается классификация его по одному или нескольким признакам. Указываются конкретные числовые значения показателей свойств с маркировкой выпускае­мой продукции, а также правила приемки и хранения материала. ГОСТ является обязательным документом.

h 3* 67

Кроме государственных существуют стандарты отраслевые, раз­рабатываемые министерствами на материалы или сырье сравни­тельно ограниченного применения. Существуют также стандарты или технические условия (ТУ) на строительные материалы, выпу­скаемые отдельными предприятиями. Они обязательны только для данного предприятия (фирмы) при доставке продукции по догово­ру. Стандарты и технические условия (ГОСТы и ТУ) периодически обновляются на основе последних достижений науки и техники. Они имеют силу закона, который, как известно, категорически за­прещено нарушать.

Большинство строительных материалов, применяемых для несу­щих конструкций и работающих под влиянием статических или ди­намических нагрузок, маркируют в основном в зависимости от их прочностных показателей. Для некоторых материалов (теплоизоля­ционных, гидроизоляционных, акустических и др.) могут быть при­няты при маркировке не прочностные, а иные свойства, например теплопроводность морозостойкость, водонепроницаемость, средняя плотность и т. п. При окончательном назначении материала для строительного объекта большую роль играет экономический пока­затель. При примерно одинаковом качестве стремятся выбирать материал самый дешевый и доступный по запасам в районе строи­тельства, особенно если он местный. Однако материал принимается всегда с учетом еще и транспортных расходов, а также эксплуата­ционной стойкости (долговечности) его в конструкциях.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Какие основные свойства характеризуют качество материала и предоп­ределяют область его применения? 2. Свойства материалов по отношению к действию воды. 3. Какие свойства называются механическими и как они разде­ляются? 4. Что называется теплопроводностью материала и как она оценива­ется в лабораторных условиях? 5. В чем заключается физический смысл модуля упругости? 6. Плотность и пористость, как они оцениваются у материалов? 7. На какие группы делятся строительные материалы по огнестойкости? При­ведите примеры по каждой группе, 8. Какие свойства у материалов можно от­нести к химическим? 9. Какие документы помогают оценивать качество мате­риалов по их показателям свойств? Требуется ли учитывать все свойства? 10. Перечислите основные физические свойства материалов. И. Существует ли взаимосвязь между свойствами и когда она проявляется наиболее ярко?

Глава 5

Некоторые общие закономерности и принципы в науке о строительных материалах

5.1. Закономерные взаимосвязи структур и свойств материалов

Под влиянием бесконечного многообразия комбинаций микро­частиц в пространстве, или комплексов этих комбинаций, слагаю­щих микрочастицы, возникают тела, которые между собой отлича-

£ |0тся структурами и свойствами. В структуре возможны изменения '^установившихся сочетаний и отношений частиц под влиянием от-цлонений температурных факторов, величины внешнего давления ли других внешних факторов. Изменения в структуре отражаются а числовых показателях свойств. В частности, быстрому измене-[ию подвержены механические свойства при каждом отклонении, ^озникшем в структуре тела (материала). Однако нелегко устано­вить и тем более выразить в конкретной форме характер за­висимости между структурой % свойствами. Одному и тому ■ Же показателю свойств, напри-■ мер величине предела прочно-"; сти, могут соответствовать: различные микро- и макро­структуры данного материала. Одному и тому же структур-■ иому показателю может соот­ветствовать различная проч­ность или другие свойства (рис. 5.1). Результаты испыта­ний при так называемых «рав­ных» условиях опыта характе­ризуются большим разбросом числовых значений. Чтобы установить прямую или обрат­ную взаимозависимость (.кор­реляцию) между качественны­ми и структурными показате­лями, необходимо сравнивать нх не при «равных», а соответ­ственных условиях, когда структуры являются оптимальными, а материалы (ИСК) становятся между собой подобными.

Об отличительных признаках (критериях) оптимальности струк­тур отмечалось выше (см. гл. 3). Здесь же следует обратить вни­мание, что при оптимизации микроструктуры, например кристал­лической решетки, все микрочастицы (атомы, ионы, молекулы) не только равномерно распределены в пространстве, но и размеша­ются друг от друга на расстояниях, при которых силы притяжения н силы отталкивания сравнительно полно между собой уравнове­шиваются. Иными словами, в реальных телах (материалах) при оптимальной организации их микроструктуры равнодействующая сил притяжения — ионных, ковалентных, молекулярных и др., вы­ступающих, как правило, в некоторой совокупности (хотя может превалировать одна из них), и сил отталкивания равна нулю, а энергия принимает минимальное значение (рис. 5.2). Вследствие этого система, т. е. материал, обладает относительно устойчивым равновесным состоянием, что, в свою очередь, положительно влия-

Рис. 5.2. Общий характер сил Р н энергии U взаимодействия в зависи­мости от расстояния между части­цами:

/ — силы притяжения возрастают с умень­шен нем расстояния г; 2 ~ силы отталки­вания быстро возрастают с уменьшением г; 3 — результирующая сила. При г=г₀ сила P—Q, а энергия взаимодействия У„-ил1п

Рис. 5.3. Графическое выражение за­кона створа:

/ — средняя плотность; 2 — экономическая эффективность. 3 — пределы прочности; 4 — морозостойкость; 5 — внутреннее сцеп­ление; 6 — упру го эластические свойства; 7 — ползучесть; 8 — подвижность; 9 — ко­эффициент выхода смеси

т. -и взаимная обусловленность явлений и процессов. Законы опти-ш^альных структур выражают внутреннюю связь и взаимообуслов-Кдаенность свойств и структурных параметров материала. Они рас-Шпространяются на разнородные материалы и, подобно другим за- Щ конам, имеют объективный характер.

К Закон створа устанавливает, что оптимальной структуре соот-Ё/ветствует комплекс экстремальных значений свойств. На рис. 5.3 Ц закон створа представлен графически в прямоугольной плоскост-|_: ной системе координат. Еще полнее он может быть изображен в

Рис. 5.4. График зависимости прочности материала от фазового отношения вяжущего вещества и содержания заполнителя:

а —в плоскостной системе координат; б —в пространственной системе координат (р<

пространственной системе координат с отложением на оси абсцисс одной из структурных характеристик, например содержания среды, фазового отношения, толщины пленки среды в свежеизготовлен-Ном материале, величины поверхности раздела фаз и др., на оси ординат — одного или нескольких значений показателей свойств, на оси аппликат — содержания вяжущего или заполнителя.

Получаемая по экспериментальным данным графическая зави­симость в системе координат на плоскости или в пространстве для числовых значений каждого свойства, непосредственно связанного со структурой, имеет характер экстремальной кривой. В ней име­ются две ниспадающие или возрастающие ветви с максимумом или минимумом между ними (рис. 5.4). Все экстремумы на этих кри­вых практически размещаются на одной прямой, т. е. максимумы и минимумы экстремальных кривых размещаются в общем «ство­ре».

Каждая точка экстремума данного свойства отражает такую структуру, при которой она удовлетворяет всем необходимым ус­ловиям оптимальности: равномерное расположение частиц, непре­рывность среды и минимум фазового отношения (с/ф-ипт), Дру­гие точки правой и левой ветвей экстремальной кривой не соответ-

ствуют всем трем условиям (в совокупности) оптимальности структуры.

Из графика следует (см. рис. 5.4), что неоптимальных струк­тур гораздо больше, чем оптимальных, поскольку на каждой экстремальной кривой имеется только один экстремум, соответст­вующий оптимальной структуре, тогда как на ветвях этой кривой справа и слева от экстремума имеется бесконечное множество то­чек и каждая не соответствует оптимальной структуре. Вместе с тем на линии MN, соединяющей вершины отдельных экстремаль­ных кривых, имеется непрерывная цепь или система оптимальных структур и им соответствующих «створов» с определенными комп­лексами экстремумов свойств. Для конкретных строительных целей выбирается тот «створ», который удовлетворяет заданным показа­телям качества материала по техническому проекту здания или со­оружения или ГОСТ. Этому выбору «створа» помогает общий ме­тод проектирования оптимальных составов ИСК, который кратко изложен ниже (см. гл. 5).

У природных материалов, например горных пород (камня), ре­же встречаются непрерывные системы оптимальных структур, чем у искусственных конгломератов. Для них более частым случаем является формирование отдельной оптимальной структуры какого-либо камня. Однако для горных пород (известняков, песчаников и др.) были вскрыты общие закономерности изменения свойств, аналогичные тем, которые отмечались у ИСК: по мере увеличения пористости, как структурного показателя, снижались значения уп­ругих свойств, прочности, средней плотности и других свойств. Ни­же показано (см. гл. 6 и 7), что закон створа распространяется не только на искусственные, но и на природные материалы (горные породы, древесину), причем именно в природных условиях содер­жится его исходная и главная сущность. Обратное действие зако­на створа заключается в том, что если материал обладает одним или большим количеством экстремальных значений свойств, непо­средственно отражающих структуру, то он, следовательно, облада­ет и оптимальной структурой. В оценке оптимальности структуры можно нередко ориентироваться по одному экстремальному пока­зателю свойств, например прочности, изучая другие только по мере необходимости.

Закон створа является следствием комплексного 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 неус­тойчивая, но стабильная в течение длительного времени. Чем пол- 72

К; -нее в технологический (или генетический у горных пород) период

К;.'была израсходована свободная энергия с переходом ее в энергию

«■ mi связи между микрочастицами, тем ярче выступают экстремумы

Ж свойств как функции энергии. Положение экстремума обусловлено

щ также минимумом микропор или других микродефектов в струк-

Ш ^тУР^е-

ж Физико-химическая природа закона створа связана с поверх-

Щ 'постной энергией, возникающей в результате дробления и измель-
к? чения исходных твердых материалов, а также под влиянием не-
Ж-которых других технологических операций, например введения
Ждобавок, нагрева. Увеличение дисперсности частиц и поверхност-
Ш' ной энергии, равной произведению прироста поверхности на вели-
Щ: чину поверхностного натяжения, повышает активность компонен-
W тов к процессам структур ооб разов а ни я. В соответствии с ростом
f: изобарного потенциала ускоряется выделение из растворов и рас-
| плавов новой, например, кристаллической фазы. Процесс же роста
| концентрации кристаллической фазы вызывает упрочнение мате-
Т' риала, Повышение плотности и улучшение качественных показа-
. тел ей, что при оптимальных структурах приводит к возникновению
: комплекса экстремальных показателей свойств.
; Технологическая природа закона створа (у искусственных) или

генетическая природа его (у естественных материалов) заключа­ется в принудительном создании (или естественным путем в при­родных условиях) такого формирования структуры, при котором обеспечивается минимальное содержание макродефектов в струк­туре, минимум капиллярных пор, способных удерживать, например, ' влагу, оптимальная плотность структуры. Как отмечено выше, раз­работан специальный метод проектирования оптимальных соста­вов и структур материалов, при которых обеспечивается заранее заданный комплекс экстремальных значений требуемых свойств. Реализация запроектированного состава в технологическом про­цессе позволяет получать материал, оптимальный по структуре, наилучший по заданным показателям технических свойств, наибо­лее выгодный по экономической эффективности. Последнее следует из того, что наивысшая экономическая эффективность входит в створ наилучших показателей качества материала, становясь при оптимальной структуре как бы материализованной оценкой эконо­мической эффективности.

Применительно к специфике строительных материалов закон створа выражает соответствие оптимальной структуры комплексу наиболее благоприятных показателей строительных и эксплуата­ционных свойств. Закон позволяет создавать новые материалы со строго заданным набором и уровнем показателей свойств, улуч­шать качество традиционных, а также решать многие другие прак­тические задачи.

Закон прочности оптимальных структур. Другим законом опти­мальных структур является закон прочности и некоторых других свойств, непосредственно связанных со структурой материала. Он

А.;

устанавливает, что произведение числовых показателей свойств конгломератов на степенную функцию фазового отношения его вя­жущего вещества есть величина постоянная. Здесь, как и выше, под фазовым отношением понимается величина отношения массы сре­ды к массе твердой фазы в свежеизготовленном материале. Анало­гично формулируется общий закон прочности оптимальных струк­тур: произведение прочности (в любых показателях) конгломерата оптимальной структуры на фазовое отношение его вяжущего веще­ства в некоторой степени п есть величина постоянная

=const. (5.1)

Непосредственно связана с этой закономерностью формула прочности конгломератов оптимальной структуры:

где х — отношение толщин пленок среды в ИСК и вяжущем опти­мальных структур.

По своей физической сущности формула и закон прочности от­ражают максимальные величины сил сцепления микро-и макрочас­тиц при минимальных расстояниях между ними, минимальную дефектность и наибольшую однородность. С учетом формулы Гриф-фитса для хрупких тел и формулы прочности конгломерата опти­мальной структуры последнюю формулу можно выразить в сле­дующем виде:

/? „«= — * *^к ---. (5.3)

В этих формулах: Я*_ВЯж— прочность вяжущего вещества опти­мальной структуры, получаемая при испытании в одинаковых ус­ловиях с конгломератом; /_к — некоторая суммарная величина де­фектов, способствующих концентрации местных напряжений, появ­лению, росту и ускорению роста трещин до критических размеров; она входит в знаменатель в (5.3), быстро снижая прочность по ме­ре удаления структуры от оптимальной; k — поправочный коэффи­циент перехода от хрупкого разрушения к так называемому вяз­кому; общий знаменатель в формуле выражает произведение двух степенных отношений: толщин (6, 6*) пленок среды соответствен­но в вяжущем веществе ИСК и в вяжущем веществе оптимальной структуры, и межатомных (межмолекулярных) расстояний (г, г₀) в микроструктуре вяжущего вещества соответственно в момент разрушения и при уравновешенности сил притяжения и отталки­вания, т. е. когда их равнодействующая равна нулю; G — удельная свободная поверхностная энергия; Е — модуль Юнга; п и т — по-

Ецазатели степени, зависящие соответственно от плотности упаков-|; |ЕИ макрочастиц и компактности укладки микрочастиц (рис. 5.5). ТЩ Эта общая формула прочности применима как при действии ггатическрй нагрузки, так и вибрационной, при которой определя­ется усталостная прочность ИСК- Логическим следствием из фор­мулы является возможность направленного управления прочно­стью. Видно, чтобы повысить прочность ИСК необходимо с помо-1ью определенных мер повлиять на увеличение прочности