Свойства при действии агрессивных веществ

Химические свойства материалов характеризуют их способность сопротивляться действию химически агрессивной среды. Биологические свойства характеризуют стойкость материалов и изделий к органике.

Коррозионная стойкость – способность материалов сопротивляться действию агрессивных сред, разрушающих вещество материала и его структуру. Коррозионная стойкость зависит от состава и структуры материала, наличия механических напряжений, состояния поверхности, условиями воздействия агрессивной среды. Материалы стойкие в одних средах, могут быть нестойкими в других. У разных материалов различен механизм разрушения, и явления, происходящие при коррозии материалов, не представляется возможным описать каким-то одним кинетическим уравнением.

По механизму коррозионного процесса можно выделить следующие основные виды коррозии:

· физическая, приводящая к физическому разрушению материала без изменения его химического состава;

· химическая, определяющая необратимые изменения химического состава материала;

· физико - химическая, в результате которой происходит физическое разрушение материала и изменение его химического состава;

· электро-химическая, сопровождающаяся изменением химического состава материала в результате возникновения электрического тока на границе его фаз;

· биокоррозия - разрушение материалов под действием живых организмов — грибов, насекомых, растений, бактерий и микроорганизмов.

Коррозионная стойкость является сложной функцией многих факторов:

· вида материала и его составляющих,

· агрессивных веществ и их концентрации,

· характера нагрузки на материал,

· температуры.

Количественно коррозионная стойкость материалов оценивается по уменьшению толщины материала (мм/год) или потере массы материала с единицы площади в течение часа, по потери механической прочности и другим показателям.

К химическим свойствам материалов относят их адгезионную способность –способность сцепления (прилипания) и связь между находящимся в контакте поверхностями разнородных по составу веществ, которая проявляется в сопротивлению отрыву или разделению контактирующих материалов. Количественно адгезия оценивается усилием отрыва, отнесённое к единицы площади контакта.

Биологические свойства материалов могут быть использованы архитекторами не только с целью предотвращения нежелательных последствий, а для декоративных целей. Известен опыт использования таких пористых материалов как поропласта, керамзита, пенополиуретана, поры которых заполняют биологическим раствором, для выращивания декоративных растений на фасадах зданий и в интерьере. Из подобных материалов могут быть изготовлены декоративные перегородки, ограждения балконов, лоджий и т.п.

 

 

 

Рис. 1. Червоточина

а – поверхностная, б – неглубокая, в – глубокая, г – сквозная

 

Повреждения древесины может быть вызвано так же насекомыми и их личинками. Такое повреждение древесины, называемое червоточиной или поражением древоточцами, ухудшает её механические свойства. Поверхностное повреждение древесины короедом практически не изменяет прочность древесины, в то время как глубокая червоточина, встречающаяся на всех породах древесины, может существенно снизить её прочность. Образовавшиеся отверстия в древесине способствуют поражению заболонной части ствола дерева гнилью и грибками.

Механические свойства

Механические свойства - способность материалов сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних сил при сжатии, растяжении, ударе, изгибе и т.д.

Нагрузки и деформации

Строительные материалы и конструкции подвергаются различным внешним силовым воздействиям – нагрузкам, которые вызывают внутренние напряжения и деформации. Нагрузки делятся на статические, действующие постоянно, и динамические, которые прикладываются внезапно и вызывают силы инерции.

На сопротивление статическим нагрузкам рассчитываются все здания и сооружения. Это нагрузки от оборудования, мебели, людей, самих конструкций и т.д. Ряд сооружений предназначены для восприятия не только статических, но и эксплуатационных динамических нагрузок: мосты, тоннели, дорожные и аэродромные покрытия, кузнечные и прессовые цеха и специальные объекты, а также динамические нагрузки от аварий на предприятии (взрыва и удара) и действия природных катастроф - землетрясений, ураганов, наводнений, селевых потоков, оползней и др.

Механические свойства характеризуют поведение материалов при действии нагрузок различного вида (растягивающей, сжимающей, изгибающей и т.д.). В результате механических воздействий материал деформируется. В зависимости от того, как материалы ведут себя под нагрузкой, их подразделяют на пластичные, упругопластичные и хрупкие.

Прочность - способность материалов сопротивляться разрушению или необратимому изменению формы под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами.

Прочность материалов оценивают пределом прочности – напряжением, соответствующим нагрузке, при которой фиксируется начало разрушения. Наиболее распространённые нагрузки – сжатие, растяжение, изгиб и удар.

Предел прочности при сжатии R _СЖ или растяжении R _{p (}МПа), определяют по формуле:

R = P A, (1.11)

где Р – нагрузка, вызывающая начало разрушения(Н);

А – площадь поперечного сечения образца до испытания (м²).

Предел прочности при изгибе – R изг (МПа) – условно определяют по формуле сопротивления материалов, используемых для определения напряжения при изгибе:

R изг = М W, ( 1.12)

где М – изгибающий момент, W – момент сопротивления.

При испытании балки прямоугольного сечения в случае, если нагрузка сосредоточена в центре,

R изг = 3Pl₀ 2bh² , (1.13)

где Р – нагрузка, вызывающая начало разрушения(Н);

l_{0 –} расстояние (пролёт) между нижними опорами (м);

b и h – соответственно, ширина и высота поперечного сечения образца до испытания (м).

Прочность материала определяется главным образом его структурой. Например, природные и искусственные каменные материалы, сравнительно хорошо сопротивляются сжатию, но много хуже (в 5-50 раз) – растяжению, изгибу, удару. Материалы из древесины и металла хорошо сопротивляются сжатию, изгибу и растяжению. Вместе с тем структура древесины определяет её анизотропность (неодинаковость физических по различным направлениям), в результате значения пределов прочности материала из древесины при действии нагрузки вдоль или поперёк волокон весьма существенно отличаются.

Высокой считается прочность, если значения предела прочности достигают 100 МПа и более, удовлетворительной – если предел прочности составляет десятки МПа и низкой – менее 10 МПа.

Определение предела прочности на сжатие строительных материалов проводят согласно ГОСТам путём испытания образцов на механических или гидравлических прессах.

В расчёте строительных материалов на прочность допускаемые напряжения должны составлять лишь часть их предела прочности. Создаваемый запас обусловлен неоднородностью строения большинства строительных материалов, недостаточной надёжностью полученных результатов при определении предела прочности, отсутствием учёта многократного переменного действия нагрузки, старения материалов и т.д. Запас прочности и величину допускаемого напряжения определяют и устанавливают в соответствии с нормативными требованиями в зависимости от вида и назначение материала, долговечности строящегося сооружения.

Твёрдость – способность материала сопротивляться проникновению в его поверхность другого более твёрдого тела. Для определения твёрдости существуют несколько методов. Твёрдость каменных материалов, стекла оценивают с помощью минералов шкалы твёрдости Мооса, состоящей из 10 минералов, расположенных по степени возрастания их твёрдости (1 – тальк или мел, 10 – алмаз). Показатель твёрдости испытуемого материала находится между показателями двух соседних минералов, из которых один чертит, а другой сам чертится этим минералом.

Твёрдость металлов и пластмасс рассчитывают по диаметру отпечатка вдавливаемого стального шарика определённой массы и размера (метод Бринелля), по глубине погружения алмазного конуса под действием заданной нагрузки (метод Роквелла) или площади отпечатка алмазной пирамиды (метод Виккерса). Твёрдость материалов определяет возможность их использования в конструкциях, подвергающихся истиранию и износу (полы, дорожные покрытия). Твёрдость материала не всегда соответствует прочности. Так, древесина имеет прочность, одинаковую с бетоном, но значительно меньшую твёрдость.

Твёрдость материала в большой мере зависит от его плотности.

Упругость — способность материалов под воздействием нагрузок изменять форму и размеры и восстанавливать их после прекращения действия нагрузок.

Упругость оценивается пределом упругости б _УП, МПа, который равен отношению наибольшей нагрузки, не вызывающей остаточных деформаций материала, Р_УП, Н, к площади первоначального поперечного сечения F₀, мм²:

 

б_УП = Р_УП / F₀. (1.14)

 

Пластичность — способность материалов изменять свою форму и размеры под воздействием нагрузок и сохранять их после снятия нагрузок. Пластичность характеризуется относительным удлинением или сужением.

Разрушение материалов может быть хрупким или пластичным. При хрупком разрушении пластические деформации незначительны.

Хрупкость — свойство материала внезапно разрушаться под воздействием нагрузки, без предварительного заметного изменения формы и размеров. Хрупкому материалу, в отличие от пластичного, нельзя придать при прессовании желаемую форму, так как такой материал под нагрузкой дробится на части, рассыпается. Хрупки камни, стекло, чугун и др.

Гибкость – это способность материала сохранять сплошность структуры (без проявления трещин) при огибании его вокруг стержня определённого диаметра. Для определения гибкости линолеума в продольном направлении вырезают два образца шириной 50 мм и накатывают лицевой поверхностью наружу на гладкий стержень диаметром 20…75 мм. Материал считается выдержавшим испытание, если по истечении 30 с на поверхности образцов не появились трещины.

Износостойкость материалов

Истираемость характеризуется величиной потери первоначальной массы материала (г), отнесённой к единице площади (см²) истирания. Истираемость определяют на специальных кругах или посредством воздействия на поверхность материала воздушной или водной струи, несущей в себе зерна абразивных материалов (песок определённой крупности). Сопротивление истиранию определяют для материалов, предназначенных для полов, дорожных покрытий, лестничных ступеней. Некоторые материалы испытывают также на износ.

Износ – разрушение материала при совместном действии истирающей и ударной нагрузок. Для определения износостойкости образцы материала испытывают в специальном вращающемся барабане с металлическими шарами. Прочность оценивают по потере массы образцов, выраженной в процентах. Износу подвергаются покрытия дорог, аэродромов и полов промышленных предприятий. Совокупность свойств материалов должна обеспечивать их долговременную нормативную эксплуатацию в зданиях и сооружениях – долговечность.

Сопротивление удару имеет большое значение для материалов, применяемых для покрытия полов в цехах промышленных предприятий. Предел прочности материала при ударе характеризуется количеством работы, затраченной на разрушение образца, отнесённой к единице объёма. Испытание материалов проводят на специальном приборе - копре.

 

Эстетические свойства

Эстетические свойства материалов (архитектурно-художественные) объединяют 2 группы свойств. Первая характеризует эстетичность материалов и изделий. Вторая характеризует эстетичность сочетаний с другими материалами и изделиями и с окружающей средой.

Эстетические, или архитектурно-художественные, свойства строительных материалов и изделий определяется такими его параметрами, как форма, цвет, фактура и рисунок (текстура). Эстетические свойства определяются тремя основными видами характеристик: психологическими, физиологическими и физическими. Последние могут быть количественно выражены по результатам простых измерений геометрических размеров или с помощью специальных приборов (фотометров, спектрофотометров, блескомеров и т.п.). Объективная составляющая физиологических параметров цвета также поддаётся количественной оценке с помощью методов колориметрии, учитывающих спектральные характеристики зрительного анализатора среднего (нетренированного) наблюдателя.

Форма материалов, лицевая поверхность (или поверхности) которых воспринимается визуально в процессе эксплуатации, непосредственно влияет на своеобразие фасада или интерьера здания. Эстетичность формы материала и изделия определяется её геометрией (для объёмных изделий - кубическая, параллелепидная, цилиндрическая, лекальная и т.д.; для плоских - квадратная, прямоугольная, многогранная, лекальная и т. д.) и пропорциями (соотношениями) основных размеров.

В современной архитектуре форма облицовочных материалов, как правило, лаконична – квадрат, прямоугольник.

Цвет материалов – это зрительное ощущение, возникающее в результате воздействия на сетчатку глаз человека электромагнитных колебаний, отражённых от лицевой поверхности в результате действия света. В общем случае цвет материала обусловлен следующими факторами: его окраской, свойствами поверхности, оптическими свойствами источников света (известно, например, что цвет одних и тех же обоев по разному воспринимается днём и при искусственном освещении вечером) и среды, через которую свет распространяется, индивидуальными особенностями зрительного анализатора и психофизического процесса переработки зрительных впечатлений в мозговых центрах наблюдателя.

Все цвета материалов можно разделить на две группы – ахроматические (белые, черные и серые всех оттенков) и хроматические (красные, оранжевые, жёлтые, зелёные, голубые, синие, фиолетовые со всеми промежуточными оттенками). Человеческий глаз способен различать до трёхсот оттенков ахроматических и десятки тысяч хроматических цветов.

При качественном описании цвета используют три его основные характеристики - цветовой тон, насыщенность и светлоту:

· Цветовая тональность показывает, к какому участку видимого спектра относится цвет материала. Количественно цветовые тона измеряются длинами волн.

· Насыщенность цвета – степень отличия хроматического цвета от ахроматического той же светлоты.

· Светлота характеризуется относительной яркостью поверхности материала, определяемой коэффициентом отражения, который представляет, соответственно, отношение отражённого светового потока к падающему.

Применяя визуальные методы оценки цвета, используют атласы цвета, картотеку цветовых эталонов и образцы материалов – эталонов.

Цветовые атласы – альбомы или наборы большого количества ахроматических и хроматических красок, предварительно систематизированных.

Картотека цветовых эталонов – комплект карточек различных цветов, каждому из которых присвоен определённый номер.

Фактура – видимое строение лицевой поверхности материала, характеризуемое степенью рельефа и блеска.

По степени рельефа выделяют гладкие, шероховатые (высота рельефа до 0,5 см) и рельефные (высота рельефа более 0,5см) фактуры.

Различают два вида рельефных фактур: организованную (с повторяющимся равномерным, часто геометрическим рисунком рельефа) и неорганизованную (с неравномерным, хаотическим рисунком). Пример первой - регулярная рифлёная фактура природного камня, второй - фактура бетона с обнажённым заполнителем или каменная фактура скалы.

По степени блеска различают блестящие и матовые фактуры

У природных и большинства искусственных материалов текстура образуется видимыми на их поверхностях различными по форме, размеру, характеру пространственного расположения, цвету отдельными составными элементами: у древесины - годичными слоями, сердцевинными лучами, сосудами, волокнами; у естественного камня — зёрнами, прожилками, порами; у бетона - цементным камнем, мелким и крупным заполнителем и т.д.

Текстура и цвет служат важными диагностическими признаками для распознавания пород минералов и древесины. Опытные архитекторы, строители и специалисты-материаловеды легко по внешним признакам различают десятки пород древесины и естественных каменных материалов. Текстура древесины, отражающая её анатомическое строение, во многом определяет её художественно-декоративную ценность. Лиственные породы обладают, как правило, более выразительной и богатой текстурой, чем хвойные. Характер текстуры древесины резко изменяется в зависимости от направления разреза ствола (рис. 1.6): поперечного (торцового) или продольного (радиального и тангентального).

 

Рис 2.Основные разрезы ствола

 

Древесные породы с чётко выраженными, заметными на продольном разрезе широкими сосудами имеют так называемую штриховую текстуру, причём, если эти штрихи собраны в широкие полосы (как, например, у дуба и ясеня), то текстура называется полосоштриховой, а если штрихи расположены беспорядочно (например, у грецкого ореха и эвкалипта), то - рассеянно-штриховой. Породы древесины с чётко различимыми сердцевинными лучами (дуб, бук, платан и др.), которые видны на радиальных разрезах как блестящие зеркальца - прерывистые полоски или пятна, характеризуются зеркальчатой текстурой. На тангенциальных разрезах этих пород видна чешуйчатая текстура древесины. Породы древесины со слабо различимым анатомическим строением (например, берёза, самшит, груша) называют слаботекстурными. По декоративности зеркальчатая текстура выше чешуйчатой, поэтому для облицовки панелей и мебели строганый радиальный шпон (тонкий срез) предпочтительнее тангенциального.

Рисунок – различные по форме, размерам, расположению, сочетанию, цвету линии, полосы, пятна и др. элементы на лицевой поверхности материала. Если упомянутые элементы создала природа, рисунок называют текстурой (например, текстура древесины, природного камня). Рисунок на поверхности материала и изделия может быть естественным или искусственным.

Выделяют рисунки, вызывающие функциональные аналоги (например, растительный орнамент), геометрические, слабо или явно (ярко) выраженные, крупно – или мелкомасштабные. Рисунок (текстура), как и другие эстетические характеристики, влияет на своеобразие наружной и внутренней отделки зданий, сооружений.

Цветовые характеристики особенно важны для оценки качества отделочных материалов, применяемых в наружной и во внутренней отделке зданий и сооружений. Поскольку цвет является одним из важнейших факторов производственного и бытового комфорта, при выборе отделочных материалов необходимо учитывать не только их собственные цветовые характеристики, но и определенное психологическое воздействие конкретных сочетаний цвета различных материалов (или покрасок) - цветовых гармоний.

Проектируя здание и его отделку, выбирая необходимые отделочные материалы, архитектор должен принимать во внимание (кроме объективных факторов, обусловливающих цветовые ощущения - источники света, среда и т.п.) взаимосвязь цвета и фактуры поверхности, цвета и формы, роль светотени и рефлексов в восприятии цвета. Так, с помощью цвета можно зрительно «разрушить» стену, исказить объем, изменить пропорции объекта, а цветные рефлексы могут изменять оттенки поверхностей, например, при покрытии пола красным ковром белые стены будут восприниматься бледно-розовыми. В интерьере отделка удалённой торцовой стены материалом насыщенного тёплого цвета способствует уменьшению воспринимаемой длины помещения, а применение холодного ненасыщенного, наоборот, зрительно удлиняет его.

Значительные изменения цвета материалов происходят и в естественных условиях эксплуатации. Способность материала в течение длительного времени сохранять в эксплуатационных условиях без изменения свой цвет характеризуется его цветоустойчивостью. Это свойство искусственных материалов в значительной степени определяется стойкостью применённых пигментов. Изменение цвета окрашенных полимерных материалов наблюдается также по мере их старения.

Текстура каменных и древесных материалов усиливается при полировке и прозрачной отделке поверхности мастиками и лаками. Выразительность естественного рисунка камня, стеклокристаллических и некоторых полимерных и других материалов увеличивается направленным освещением поверхности, игрой светопроницаемых, глухих и блестящих включений. Современная технология производства искусственных, прежде всего полимерных, отделочных материалов позволяет получать почти неограниченное разнообразие рисунков, включая специально созданные декоративные текстуры.

Искусственные рисунки различаются по многочисленным признакам: характеру, масштабу, раппорту (повторяющаяся часть рисунка, узора), количеству и характеристике цветов и их сочетаниям и т.д. Рисунок может наноситься и не на поверхность материала, а располагаться под прозрачным верхним слоем (например, на внутренней стороне прозрачной полимерной плёнки в многослойных отделочных материалах и линолеумах). Рисунок материала может создаваться на его поверхности не цветом, а сочетанием разного рельефа (травлением на стекле, сочетанием петельного и разрезного ворса ковровых материалов), перфораций (на акустических плитах) и другими способами.

Оценка эстетических свойств строительных материалов и изделий производится как методами измерения их физических параметров, так и визуальным сопоставлением с утверждёнными эталонами. При визуальном методе оценка цвета, фактуры и рисунка производится в тех же условиях освещения, при которых предполагается эксплуатация материала.

Вопросы для самоконтроля

1.В чём разница между истинной и средней плотностью материала?

2.Что такое морозостойкость? В чём она измеряется?

3.Что такое огнестойкость и огнеупорность?

4.Что такое прочность материала и чем она характеризуется?

5.Приведите примеры упругих, пластичных и хрупких материалов.

6.Каковы методы определения твёрдости?

 

 

.