1.4.3 Химические и физико-химические свойства

Химические свойства материала

Из химических свойств материалов для строителя глав­ные — коррозионная стойкость материалов в строительных конст­рукциях и их химическая активность. Последнее свойство важно для материалов, используемых как связующее (например, цемент, синте­тические смолы).

• Химическая (коррозионная) стойкость

При контакте с агрессивной средой в структуре материала происходят необратимые изменения, что вызывает снижение его прочности и преждевременное разрушение конструкции.

Основными агрессивными агентами, вызывающими корро­зию строительных материалов, являются:

- пресная и соленая во­да,

- минерализованные почвенные воды,

- растворенные в дожде­вой воде газы (SO₃, SO₂, CO₂, NO₂) от промышленных предпри­ятий и автомашин.

- На промышленных предприятиях коррозию строительных материалов часто вызывают более сильные аген­ты: растворы кислот и щелочей, расплавленные материалы и горячие газы.

Виды коррозии

1)Химическая

2)электрохимическая коррозия.

3)Биокоррозия

Биокоррозия - это не только гниение органиче­ских материалов (древесины, бумаги и др.), но и разрушение бе­тона и металла продуктами жизнедеятельности поселившихся на них микроорганизмов.

4)старение (для пластмасс).

Наиболее вредные воздействия на пластмассы оказывают солнечное облу­чение, кислород воздуха и повышенные температуры.

• Химическая активность

Химические превращения наблюдаются при хранении и тех­нологическом использовании материалов, а также в период экс­плуатации строительных конструкций.

Например, длительное хранение во влажной атмосфере вызывает гидратацию и сниже­ние активности цемента. В итоге получается так называемый лежалый цемент, сильно уступающий по качеству свежеизготовленному.

Химическая активность таких материалов, как вяжущие ве­щества или минеральные добавки, зависит не только от их со­става и строения, но и от тонкости измельчения.

К физико-химическим свойствам относят:

• удельную поверх­ность порошкообразных материалов,

• размер и количество пор,

• степень гидрофобности неорганических порошков и др.

1.5 Работа материалов в сооружении.

Долговечность материалов и изделий в конструкциях.

Искусственные строительные конгломераты изготавливают в сравнительно короткие технологические сроки по сравнению с многолетней продолжительностью работы зданий и сооружений. Поэтому очень важно, чтобы в течение предусмотренного пе­риода эксплуатации материал сохранял на допустимом уровне структурные параметры, заложенные в технологический период изготовления.

В процессе эксплуатации зданий и сооружений материалы и изделия, из которых выполнены конструкции, подвергаются действию механических нагрузок и физико-химическому воз­действию окружающей среды. Механические нагрузки - масса конструкций, оборудования и производственной мебели, людей, находящихся в помещениях, - вызывают в материале деформа­ции и внутренние напряжения. Агрессивное физико-химическое воздействие некоторых газов, находящихся в атмосфере, воды и растворенных в ней веществ, высоких и низких температур, сол­нечной радиации, попеременного насыщения и высушивания приводит к постепенному разрушению материалов. Поэтому в зависимости от назначения, условий строительства и эксплуата­ции зданий и сооружений подбираются соответствующие строи­тельные материалы, изделия и конструкции, которые обладают определенными качествами и защитными свойствами против воздействия определенной внешней среды. Так, материалы для наружных стен зданий (кирпич, ячеисто-бетонные и бетонные блоки, строительные растворы) должны обладать наименьшей теплопроводностью при достаточной прочности, чтобы защи­щать помещения от наружного холода и выдерживать нагрузки, передаваемые на стены от других конструкций (перекрытий, кровли); материалы сооружений гидротехнического назначения (трубы, лотки, шлюзы-регуляторы и др.) - водонепроницаемо­стью и стойкостью к попеременному замораживанию и оттаива­нию; материал для покрытия дорог (асфальт, бетон) должен иметь достаточную прочность и малую истираемость, чтобы вы­держивать нагрузки от проходящего транспорта и не разрушать­ся от систематического воздействия воды и растворов солей, температурных перепадов и промерзания.

Учитывая условия работы в сооружении, все строительные материалы по назначению делят на две группы: универсального типа и специального назначения.

Материалы универсального типа воспринимают значитель­ные механические нагрузки, одновременно выполняя и защит­ные функции. Сюда относят природные камни, искусственные каменные материалы (бетон и железобетон, керамические изде­лия), Материалы из древесины, конструкционные пластмассы, металлы.

Материалы специального назначения служат для защиты строительных конструкций от вредного влияния окружающей среды. Использование таких материалов позволяет создавать внутри сооружения необходимый комфорт, сокращает затраты топлива и энергии в течение всего срока эксплуатации и в ряде случаев увеличивает стойкость и долговечность конструкций. В эту группу входят изделия для тепловой и акустической защи­ты конструкций, гидроизоляционные, кровельные и герметизи­рующие материалы и изделия, материалы для защиты от корро­зии и некоторые другие.

Кроме заданной долговечности к материалам и изделиям, ра­ботающим в конструкциях, предъявляются требования ремонтопригодности, сохраняемости качественных характеристик и безотказности работы в длительный период. С теоретических позиций за основной принцип надежности искусственных конгломератов принимают оптимальную структуру при условии правильно выбранных компонентов, технологических парамет­ров и режимов производства.

Долговечность материалов и изделий в конструкциях

Долговечность - комплексное свойство, количественно вы­ражаемое продолжительностью эффективного сопротивления материала всему комплексу воздействий в эксплуатационный период работы до соответствующего критического уровня.

Независимо от способа оценки - по изменению свойств или отклонению структурных параметров от оптимальных - полный период долговечности начинается от укладки материала в кон­струкцию до предельно допустимого (критического) уровня, со­ответствующего изменению свойств или структуры.

Весь период долговечности можно разделить на три времен­ных этапа Первый этап эксплуатации характеризуется упрочнением структуры или улучшением показателей свойств; второй - их относительной стабильностью; третий - деструкцией, т. е. медленным или быстрым нарушением структуры вплоть до ее критического состояния или даже до полного разрушения. У отдельных материалов тот или иной этап в периоде эксплуа­тации (долговечности) может отсутствовать.

Первый этап имеет место в материалах с участием вяжущих веществ, и прежде всего цемента. Сущность упрочнения струк­туры на первом этапе долговечности заключается в том, что под влиянием внешней среды, нагрузок и других факторов в экс­плуатационный период в материале, особенно в вяжущей части, а также в контактных зонах, возникают новые и со временем ук­рупняются вторичные структурные центры. Совместно с возникшими на ранней стадии структурообразования они участву­ют в дополнительном процессе уплотнения структуры с увели­чением содержания цементирующего вещества. Например, цементный минерал белит продолжает «отдавать» свою вяжу­щую потенцию в течение двух и более лет, обгоняя даже алит¹. Кроме того, и сам алит продолжает вносить вклад в повышение прочности со временем. В результате наблюдаются не только упрочнение структуры и рост прочности материала по отноше­нию к механическим нагрузкам, но и улучшение некоторых других его свойств. В то же время для обжиговых материалов, на­пример керамического кирпича, первый этап долговечности бу­дет отсутствовать, так как процессы упрочнения структуры полностью прекращены.

Рис. Схема чередования временных периодов долговечности материала в эксплуатационный период: 1 - критический уровень характеристик структуры и свойств; 2 - начальный (предэксплуатационный) уровень характеристик струк­туры и свойств; 3 - увеличение продолжительности эксплуатации за счет тор­можения деструкции

Второй этап - стабилизация структуры - характеризуется сравнительно неизменной концентрацией структурных элемен­тов в единице объема материала и относительным постоянством показателей свойств. Уровень этих показателей может колебать­ся за счет совместных процессов упрочнения и деструкции.

Третий этап долговечности - деструкция - самый типичный процесс эксплуатационного периода. Он может начаться с пер­вого же этапа эксплуатации конструкции, но может следовать также за упрочнением и стабилизацией структуры.

Приведенные этапы долговечности материала являются до­вольно условными. Обусловлено это точностью методов иссле­дования и аппаратуры для слежения за изменением структурных характеристик и свойств материала в период эксплуатации в конструкции. Поэтому у некоторых материалов первый или вто­рой этап может отсутствовать.

Во время всех технологических переделов и в эксплуатаци­онный период в контактных зонах структурных компонентов конгломерата идут процессы микроразрушений. Как показано в главе 2 (Юхневский, Широкий, «Строительные материалы и изделия»), существует общая тенденция постепенного перехода первоначально энергетически устойчивых структур материалов на более низкий энергетический уровень их структурной проч­ности. При этом освобождаются атомы кислорода и другие, об­разуются новые химические соединения, устойчивость которых часто гораздо меньше первоначальных. Это ведет к нарушению структуры, разрыву ее сплошности, а в итоге - к деструкции ма­териала, сопровождаемой снижением его прочности.

Из отмеченного можно сделать вывод, что в структуре мате­риала должен соблюдаться баланс сил. Пока он есть, материал сохраняет свои свойства, при снижении его до критического уровня материал разрушается из-за старения, усталости и т. д.

Теоретическими исследованиями и многолетней практикой для всех материалов определены критические уровни характери­стик структуры и свойств, переход за пределы которых сопря­жен с интенсивным разрушением материала или срочным капи­тальным ремонтом конструкции.

При выборе критических уровней ключевых показателей свойств ориентируются на требования действующих стандартов и строительных норм. В них указаны численные показатели технических свойств материала и допустимые пределы их измене­ния в эксплуатационный период. Для большинства материалов обычно указываются несколько ключевых показателей свойств или структурных характеристик и их предельный уровень изме­нения. При этом весьма важно, чтобы с совершенствованием технологии производства наблюдалось всемерное увеличение периода времени до момента, когда ключевой показатель (груп­па показателей) окажется на уровне допустимого изменения. Соответствующий период времени характеризует долговечность материала, поскольку дальнейшая эксплуатация конструкции будет недопустимой без проведения ремонта.

Среди типичных эксплуатационных факторов, оказывающих, как правило, негативное влияние на состояние строительных конструкций и материалов, можно выделить:

• воздействие внеш­них нагрузок, а также массы материала и конструкций;

• темпера­турные воздействия;

• воздействия газовой и водной среды, со­держащей различные примеси;

• воздействия кислот, щелочей и солевых растворов;

• климатические, к которым, кроме упомяну­тых выше факторов, относятся также солнечная радиация, ветер и влажность воздуха, продукты жизнедеятельности микроорга­низмов.

В реальных условиях на конструкцию или ее материал воз­действует комплекс из двух или большего количества эксплуа­тационных факторов. Совместное воздействие активных сред и механических напряжений приводит к интенсификации корро­зионных процессов. Отметим, что различного вида природными и производственными средами повреждается от 15 до 75 % всех строительных конструкций зданий и сооружений.