Экология строительных материалов

 

 Свойства материалов — это особенности, характеризующие их состояние или отношение к различным явлениям. Совокупность свойств, определяющих пригодность материалов для использования, характеризует их качество. Уровень качества оценивается с привлечением системы показателей назначения, надежности, технологичности и др.

 

 Показатели качества материалов определяют экспериментально — с помощью технических измерительных средств. В некоторых случаях оценку качества материалов производят эксперты расчетными методами. Различают входной, технологический и приемочный контроль качества строительных материалов. Входной контроль производится для материалов, поступающих на предприятие или стройку. Технологический или операционный контроль производится по мере выполнения отдельных технологических операций, а приемочный — для готовых изделий.

 

 В обеспечении необходимого  качества строительных материалов  важную роль играет стандартизация, цель которой заключается в упорядочении правил производства и применения продукции и последовательном повышении требований к показателям ее качества. Стандартные, т. е. нормативные, документы могут быть обязательными только для одного предприятия — стандарты предприятий (СТП), для предприятий и организаций союзной республики — республиканские стандарты (РСТ), для всех предприятий данной отрасли или других отраслей, применяющих определенный вид продукции,— отраслевые стандарты (ОСТ) и для всех предприятий независимо от ведомственной подчиненности — государственные стандарты (ГОСТ). Предельно допускаемые нормируемые показатели свойств материалов называются марками. Различают, например, марки по прочности, морозостойкости, истираемости, средней плотности и др.

 

 В строительстве, кроме системы  стандартов, действует система нормативных  документов, объединенных в строительные  нормы и правила (СНиП), - обязательная для всех организаций и предприятий.

 

3.2 Классификация и структура материалов

 

 Классификация материалов. Строительные материалы можно классифицировать по составу, структуре, свойствам, способу получения и области применения.

 

 Состав материалов выражают  содержанием химических элементов  или оксидов (химический состав) и отдельных частей — фаз,  однородных по химическому составу  и физическим свойствам, отделенных  друг от друга поверхностями  раздела (фазовый состав).

 

 По составу разделяют металлические и неметаллические материалы. Из металлических материалов в строительстве широко применяют железистые сплавы — чугун и сталь, а также сплавы алюминия. В группу неметаллических входят органические и неорганические материалы. Среди органических преобладают строительные материалы на основе древесины, битумов и синтетических полимеров. В их состав входят преимущественно высокомолекулярные углеводороды и их неметаллические производные.

 

 Наиболее обширна группа неорганических строительных материалов. Химический состав их выражают в основном содержанием оксидов кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия, калия, водорода. Фазовый состав неорганических материалов, применяемых в строительстве (природных камней, цементов, бетона, стекла и др.), представлен силикатами, алюмосиликатами, алюминатами, ферритами, оксидами и их гидратами.

 

 В современном строительстве  наиболее широко применяются композиционные строительные материалы (КСМ), скомбинированные из разных материалов для улучшения эксплуатационных свойств по сравнению со свойствами отдельных составляющих компонентов. Примерами природных КСМ являются горные породы, древесина, искусственных — многие сплавы, бетон, стекло, керамика и др. Общим признаком всех композиционных материалов является существование границы раздела фаз. Одну из фаз КСМ, выполняющую роль основы или связующего, называют матрицей. В матрице могут быть диспергированы в любом агрегатном состоянии различные наполнители в виде порошков, волокон, газовых включений, тонкой стружки, а также частиц любой другой формы.

 

 Важнейшим классификационным  признаком материалов, с которыми  связаны многие их свойства, является структура — пространственное расположение элементов, слагающих материалы, и их взаимосвязь. Выделяют различные уровни структуры — от атомно-молекулярной, проявляемой при рентгенографическом исследовании, до макроструктуры, различаемой невооруженным глазом или при небольшом увеличении.

 

 В  зависимости от особенностей  расположения ионов, атомов или  молекул все твердые материалы  делят на кристаллические и аморфные

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Структура материалов. Главным признаком кристаллической структуры является упорядоченность расположения материальных частиц (вернее, центров их колебаний) в узлах и других точках пространственной решетки. С особенностями строения решеток связаны свойства кристаллов. Кристаллическую структуру имеют большинство горных пород, металлы и сплавы, разнообразные искусственные каменные строительные материалы. Размеры кристаллов весьма разнообразны — от устанавливаемых с помощью электронного микроскопа до видимых невооруженным глазом. Реальные кристаллы имеют разнообразные дефекты строения — мозаичную структуру, узловые вакансии атомов или ионов и др. Области с закономерными отклонениями в расположении элементов структуры кристаллов называют дислокациями. Дислокации в значительной мере обусловливают механические и другие свойства кристаллических материалов, в особенности металлов.

 

 Свойства кристаллических  тел определяются видом характерных  для них химических связей. Наиболее распространенные типы химической связи — это ионная и ковалентная.  Ионную решетку  имеют входящие в материалы кристаллы различных солей, оксидов, гидроксидов. Главным структурным элементом наиболее распространенной в строительстве группы силикатных материалов являются ионы ( Они могут различным образом комбинироваться с катионами металлов, что способствует многообразию силикатов и различию в их свойствах. Прочностью ионной связи обусловлены высокие значения температуры плавления силикатных и других материалов. Для материалов, сложенных из кристаллов с ковалентной связью атомов (например, для некоторых полимеров), характерны сравнительно большая твердость, высокая температура плавления и малая летучесть.

 

 Определенным своеобразием  отличается кристаллическая решетка  металлов. В ее узлах расположены  положительные ионы, а между ними  перемещаются свободные электроны.  Характерные свойства металлов (электропроводность  и теплопроводность, термоэлектронная  эмиссия, блеск и пр.) обусловливаются  наличием в их решетке свободных  электронов.

 

 В отличие от кристаллических аморфные материалы имеют неупорядоченное расположение атомов, ионов или молекул. Из аморфных материалов наибольшее применение в строительстве имеет стекло, полученное путем охлаждения минеральных расплавов. В результате постепенного увеличения вязкости при охлаждении стекло обладает механическими свойствами твердых тел, процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное является обратимым. Стекло является изотропным материалом, оно не имеет определенной точки плавления и при нагревании постепенно размягчается.

 

 Свойства строительных материалов  тесно взаимосвязаны с их микроструктурой, изучаемой с помощью оптического или электронного микроскопа. Важными элементами микроструктуры материалов являются микропоры. Для строительных материалов удобно в зависимости от радиуса делить поры на три группы: микрокапилляры (0,1 мкм), макрокапилляры (0,1 мкм) и некапиллярные поры.

 

 В капиллярных порах поверхность жидкости принимает форму, обусловленную силами поверхностного натяжения, и мало искажается за счет силы тяжести. Микрокапилляры радиусом менее 0,1 мкм могут быть полностью заполнены жидкостью в результате поглощения ее паров из окружающей среды. Макрокапилляры с радиусами, большими 0,1 мкм, могут быть заполнены жидкостью при непосредственном контакте с нею.

 

 Происхождение пор в материалах  может быть связано с газовыделением или воздухововлечением, содержанием избыточной, химически несвязанной воды, различными деструктивными процессами (например, выщелачиванием, дегидратацией, выветриванием и др.).

 

 Многие строительные материалы  можно рассматривать как дисперсные системы, т. е. такие системы, которые содержат две (или более) фазы, равномерно распределенные друг в друге. В зависимости от размера частиц дисперсной фазы различают грубодисперсные (>0,1 мкм), коллоидно-дисперсные (0,1—0,001 мкм) и молекулярно-дисперсные (<0,001 мкм) системы. К первым можно отнести разнообразные порошкообразные материалы — вяжущие вещества, наполнители и др., ко вторым — цементное и известковое тесто, некоторые пигменты и др., а к третьим — растворы солей.

 

 В зависимости от того, в  каком агрегатном состоянии —  твердом или жидком — распределено  вещество в жидкой дисперсионной  среде, дисперсную систему называют  соответственно суспензией или  эмульсией. Если дисперсная среда  — газ, системы называют аэрозолями.

 

3.3 Характерные механические свойства твердых материалов

 

Для технологии строительных материалов особенное значение имеют коллоидные системы (золи), обладающие рядом особенностей: стойкостью к седиментации, т. е. оседанию взвешенных частиц, свечением в проходящем свете, передвижением частиц к электродам при пропускании электрического тока (электрофорез). Высокоразвитая поверхность раздела фаз обусловливает избыток свободной энергии, характерный для коллоидных систем. Уменьшение энергии и повышение устойчивости коллоидных систем происходит за счет слипания твердых частиц (коагуляции) или использования поверхностно-активных веществ (ПАВ), к числу которых относятся в основном органические вещества с асимметрическим строением молекул. ПАВ адсорбируются на поверхности раздела фаз и способствуют получению устойчивых суспензий и эмульсий, ускоряют измельчение твердых тел за счет эффекта адсорбционного снижения прочности (эффект П. А. Ребиндера). Введение ПАВ в коллоидные растворы вызывает процесс обратный коагуляции — пептизацию. В результате достигается, например, пластификация бетонных и растворных солей, разжижение сырьевых шламов в производстве цемента.

 

 Характерные механические свойства  твердых материалов могут достигаться  за счет срастания множества  мелких кристалликов, возникающих  из жидкой среды, например, при  твердении бетонов и растворов  (кристаллизационная структура)  или за счет развития химических  связей, например, при получении  полимеров, обжиге керамических  и других изделий (конденсационная  структура).

 

 Макроструктуру материалов можно классифицировать:

 -по взаимному размещению их компонентов(последовательно и параллельно составленные),

- размеру зерен (крупно-, средне- и мелкозернистые),

характеру макропор (мелко- и крупнопористые, ячеистые),

-особенностям заполнителей и наполнителей (зернистая, волокнистая, слоистая структура) и другим признакам.

 

 Наиболее значительная часть  композиционных строительных материалов  имеет конгломератное строение  и получена путем цементирования  заполнителей разнообразными связующими  веществами. Для них в зависимости  от соотношения связующего и  заполняющего компонентов выделяют контактную, норовую и базальную макроструктуру. При контактной структуре элементы заполняющей части конгломерата контактируют друг с другом, их суммарный объем близок объему конгломерата, при базальной структуре элементы разобщены значительным слоем связующего и как бы плавают в нем. Норовая макроструктура является промежуточной, в этом случае элементы заполняющей части конгломерата склеены в монолит сравнительно тонкой прослойкой связующего.

 

 В зависимости от способа  получения строительные материалы  можно классифицировать па безобжиговые и получаемые обжигом. Последние в свою очередь разделяются на обожженные до плавления и обожженные до спекания. В группу безобжиговых входят материалы естественного происхождения (природные камни, древесина) и материалы, полученные искусственным способом путем твердения конгломератов на основе неорганических и органических вяжущих веществ.

 

 Наиболее характерными технологическими  процессами получения строительных  материалов являются процессы измельчения, сортировки и классификации, смешивания и гомогенизации (т. е. обеспечения однородности), формования и уплотнения, термической обработки. Выбор тех или иных операций, их совмещаемость определяются видом материалов, принятой технологией.

 

 Закономерности физико-химических  процессов получения материалов  с заданными свойствами и структурой  изучаются физико-химической механикой.  В развитие этой науки фундаментальный  вклад внесли работы академика  П. А. Ребин-дера и его научной школы. Физико-химическая механика открывает не только возможности более полного понимания механизма формирования свойств материалов, но и новые пути в технологии получения высококачественных строительных материалов.

 

 

 Наиболее важными для строительных  материалов являются механические свойства, характеризующие их отношение к внешним силовым воздействиям. В группу механических входят деформативные и прочностные свойства, определяющие соответственно способность материалов сопротивляться деформированию и разрушению под действием в основном внешних сил. Эти свойства непосредственно зависят от структуры материала, сцепления между частицами и особенностей теплового движения частиц.