close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Beljaev Teoreticheskie osn

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
Н. Н. Беляев
Теоретические основы
дорожного
материаловедения
Учебное пособие
Санкт-Петербург
1
2010
УДК 625.07
Рецензенты:
Б. Н. Карпов, проф., д-р техн. наук, заведующий кафедрой автомобильных
дорог СПбГАСУ;
В. П. Овчинникова, канд. техн. наук, руководитель Испытательного центра
,,
,,
«Дормост» (ЗАО «Институт Стройпроект »)
Беляев, Н. Н.
Теоретические основы дорожного материаловедения: учебное пособие /
Н. Н. Беляев. – СПб.: СПбГАСУ, 2010. – 84 с.
ISBN 978-5-9227-0249-2
Рассмотрены состав и структура материалов, а также их влияние на свойства
материалов. С позиций основных разделов физической химии (термодинамика,
химическая кинетика и теория поверхностных явлений) освещены вопросы технологии получения материалов и изменения их свойств в течение жизненного
цикла.
Рассмотрены основные воздействия, которым подвергаются материалы
в процессе строительства и эксплуатации автомобильных дорог, а также их
основные свойства, обеспечивающие долговечность материалов под влиянием
этих воздействий.
Освещены вопросы обеспечения единства и точности измерений при оценке
свойств материалов, а также изложены статистические методы обеспечения надежности при оценке качества материалов.
Пособие предназначено для студентов специальности 270205 – автомобильные дороги и аэродромы, может быть использовано студентами других строительных специальностей.
Табл. 14. Ил. 55. Библиогр.: 8 назв.
Рекомендовано Редакционно-издательским советом СПбГАСУ в качестве
учебного пособия.
ISBN 978-5-9227-0249-2
© Н. Н. Беляев, 2010
© Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет, 2010
2
Оглавление
Введение ................................................................................................................... 5
1. Обеспечение единства и точности измерений в материаловедении................. 6
. 1.1. Международная система единиц (СИ) . ...................................................... 6
. 1.2. Измерения свойств материалов и статистическая обработка результатов измерений ............................................................................................ 9
2. Воздействия, которым подвергаются материалы в процессе строительства и эксплуатации автомобильных дорог ............................................. 16
3. Влияние структуры и состава материалов на их свойства ............................. 20
. 3.1. Основные понятия и определения ............................................................ 20
. 3.2. Основные виды структурных связей ........................................................ 21
. 3.3. Основные типы микроструктур . ............................................................... 22
. 3.4. Состав и текстура материалов ................................................................... 22
. 3.5. Основные типы макроструктур композиционных дисперсных
материалов .......................................................................................................... 23
. 3.6. Основные типы контактов в композиционных материалах с контактной структурой . .......................................................................................... 24
4. Термодинамика . .................................................................................................. 25
. 4.1. Основные определения и понятия термодинамики . ............................... 25
. 4.2. Первый закон термодинамики ................................................................... 27
. 4.3. Второй и третий законы термодинамики ................................................. 28
. 4.4. Термодинамический потенциал ................................................................ 28
. 4.5. Тепловые эффекты ...................................................................................... 29
. 4.6. Применение термодинамики в материаловедении .................................. 29
5. Химическая кинетика ......................................................................................... 31
. 5.1. Основные виды химических реакций . ..................................................... 31
. 5.2. Основной закон химической кинетики для гомогенных реакций . ........ 33
. 5.3. Скорость последовательных и параллельных реакций............................ 34
. 5.4. Влияние температуры на скорость химических реакций ....................... 34
. 5.5. Ингибиторы и катализаторы....................................................................... 36
. 5.6. Скорость гетерогенных реакций ............................................................... 37
. 5.7. Внешняя массопередача при гетерогенных процессах ........................... 37
. 5.8. Внутренняя массопередача при гетерогенных процессах ...................... 38
6. Поверхностные явления ..................................................................................... 40
. 6.1. Удельная поверхность ................................................................................ 40
. 6.2. Поверхностные явления в грунтах . .......................................................... 41
. 6.3. Управление свойствами строительных материалов через свободную поверхностную энергию ........................................................................... 44
. 6.4. Смачивание поверхностей жидкостями . .................................................. 46
3
. 6.5. Свойства тонких пленок жидкости на поверхности твердых тел .......... 47
. 6.6. Капиллярное всасывание ........................................................................... 48
. 6.7. Пенообразование ........................................................................................ 49
. 6.8. Эмульгирование .......................................................................................... 50
7. Влияние зернового состава композиционных материалов на их структуру и прочность ................................................................................................ 53
8. Противогололедные материалы . ....................................................................... 57
9. Основные свойства строительных материалов . .............................................. 59
. 9.1. Физические свойства .................................................................................. 59
. 9.2. Теплофизические свойства ........................................................................ 62
. 9.3. Механические свойства . ............................................................................ 72
. 9.4. Гидрофизические свойства ........................................................................ 77
. 9.5. Химические свойства ................................................................................. 82
Список литературы ................................................................................................. 84
4
Введение
Материаловедение – наука, изучающая свойства материалов
в зависимости от их состава, строения и воздействия на них.
Материал – вещество, которое используется в практической деятельности людей и обладает определенным комплексом
свойств.
Вещество – виды материи, дискретные частицы которых имеют конечную массу покоя (в отличие от полей).
Материя – объективная реальность, данная нам в ощущениях
и существующая независимо от них.
Знания в области материаловедения необходимы инженерудорожнику во всех областях его профессиональной деятельности. Они нужны уже при разработке проекта автомобильной дороги, поскольку ее конструкция и долговечность зависят от того,
как будут себя вести те или иные строительные материалы в эксплуатационных условиях. Эти знания инженер-проектировщик
получает из курса «Материаловедение». Технология строительства автомобильных дорог в значительной степени определяется
технологическими свойствами строительных материалов. Знание
этих свойств инженер-строитель получает также из курса «Материаловедение». Из того же источника черпает знания о свойствах эксплуатационных материалов (разметочных, противогололедных и т. д.) и инженер по эксплуатации автомобильных дорог.
А для специалистов, занятых в сфере строительного контроля
(инженеры технического надзора, инженеры дорожных лабораторий), знания о требованиях к качеству материалов и знания о
методах контроля качества материалов вообще являются основой
их профессиональной деятельности.
Базой для лучшего понимания и углубленного изучения курса
«материаловедение» является курс «Теоретические основы дорожного материаловедения», который основывается на фундаментальных знаниях из курсов «Высшая математика», «Химия»,
«Физика», «Сопротивление материалов» и др., а также на специальных научно-технических знаниях в области дорожного материаловедения.
5
1. Обеспечение единства и точности
измерений в материаловедении
1.1. Международная система единиц (СИ)
В инженерной и научной практике материаловедческие задачи
решаются в испытательных лабораториях на основе измерения и
сопоставления показателей различных свойств материалов. При
этом для получения в различных испытательных лабораториях сопоставимых результатов измерения должны проводиться с
необходимой точностью, а результаты измерений должны выражаться в одинаковых единицах. С этой целью в Российской Федерации действует специальный Федеральный закон от 26.06.2008 г.
№ 102 «Об обеспечении единства измерений». В соответствии с
этим законом единство измерений обеспечивается путем выражения результатов измерений в единицах, допущенных к применению в РФ (метры, килограммы, секунды и т. д.). При этом показатели точности измерений не должны выходить за установленные
границы.
В настоящее время единицы физических величин и правила их применения в Российской Федерации регламентируются
ГОСТ 8.417–2002 «Единицы величин». Требования этого стандарта основаны на Международной системе единиц (International
Sistem of Unites, сокращенно SI, а в русской транскрипции – СИ),
которая была принята в 1960 г. Эта система единиц начала вводиться в нашей стране в 1963 г. , а с 1982 г. – она обязательна к
применению.
Основные единицы СИ, наиболее часто применяемые в материаловедении:
1. Единица длины (L) – метр (m, м). Метр есть длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1 / 299 792 458 с.
2. Единица массы (M) – килограмм (kg, кг). Килограмм есть
единица массы, равная массе международного прототипа кило6
грамма (хранится в Международном бюро мер и весов в г. Севр,
Франция).
3. Единица времени (T) – секунда (s, с). Эталонная секунда
есть время, равное 9 192 631 770 периодам излучения цезиевого
эталона частоты и времени.
4. Единица термодинамической температуры (Θ) – градус
Кельвина (К). Допускается выражать температуру (t) в градусах
Цельсия (ºС); 1 К = 1 ºС; 0 ºС = 273,15 К. Кельвин есть единица
термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды (точки сосуществования льда, воды и пара при 0,01 °С).
5. Количество вещества (N) – моль [mol, моль]. Моль есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных
элементов (атомов, молекул, ионов и т. п.), сколько содержится в
углероде-12 массой 0,012 кг, т. е. 6,02·1023 структурных элементов
(число Авогадро).
С использованием основных единиц могут быть получены
производные единицы СИ. Ниже приводятся такие производные
единицы, наиболее часто применяемые в материаловедении:
1. Площадь – квадратный метр (m2 , м2);
2. Объем – кубический метр (m3 , м3);
3. Скорость – метр в секунду (m/s , м/с);
4. Плотность – килограмм на кубический метр (kg/m3,
кг/м3);
5. Сила – ньютон ( N, Н) = (m · kg · s–2, м · кг · с–2);
6. Давление – паскаль (Pa, Па) = (m–1 · kg · s–2, м–1 · кг · с–2);
7. Энергия, работа, количество теплоты – джоуль (J, Дж) =
= (m2 · kg · s–2, м2 · кг · с–2);
8. Мощность – ватт (W, Вт) = (m2 · kg · s–3, м2· кг · с–3);
9. Удельная теплоемкость – джоуль на килограмм-кельвин
(J / (kg · K), Дж / (кг · К)) = (m2 · s–2 · К–1, м2 · с–2 · К–1);
10. Теплопроводность – ватт на метр-кельвин (W / (m · K),
Вт / (м · К)) = (m · kg · s–3K–1, м · кг · с–3 K–1);
11. Динамическая вязкость – паскаль-секунда (Pa · s, Па · с) =
= (m–1 · kg · s–1, м–1 · кг · –1);
12. Поверхностное натяжение – ньютон на метр (N/m, Н/м) =
= (kg · s–2, кг · с–2);
13. Активность радионуклида – беккерель (Bq, Бк). Один
беккерель соответствует одному радиоактивному распаду в секунду.
7
В табл. 1 приведены множители и приставки, используемые
для образования наименований и обозначений десятичных кратных и дольных единиц СИ.
Таблица 1
Обозначение приставки
Десятичный
множитель
Приставка
Международное
Русское
109
Гига
G
Г
6
Мега
М
М
103
Кило
K
К
-3
милли
m
м
-6
10
микро
μ
мк
10-9
нано
n
н
10
10
Примеры. Мегапаскаль (1 МПа = 106 Па), килоджоуль (1 КДж =
= 103 Дж), нанометр (1 нм = 10-9 м).
Единицы величин, не предусмотренные СИ, называются внесистемными. Их применение допускается в виде исключения. В
этом случае после величины, выраженной внесистемной единицей, в скобках необходимо указывать значение этой величины в
единицах СИ.
В практике дорожного строительства разрешены к применению и часто применяются внесистемные относительные единицы.
1) процент (%) = 1/100;
2) промилле (‰) = 1/1000.
1.2. Измерения свойств материалов и статистическая
обработка результатов измерений
Сравнение материалов основывается на измерении показателей их свойств. При этом, как уже отмечалось, показатели точности измерений не должны выходить за установленные границы.
Измерение – нахождение значений физической величины с
помощью средств измерения, т. е. путем сравнения ее с установленным эталоном.
8
На практике измерения всегда производятся с некоторой погрешностью (ошибкой). Погрешность измерения (П) – это алгебраическая разность между полученным при измерении значением
_ величины Х и ее истинным (или действительным) значением
X:
_
П = (X – X ).
(1)
Погрешность измерения может быть абсолютной (в единицах
измеряемой величины) или относительной (в долях от истинного значения измеряемой величины). Погрешности обусловлены
ошибками измерения.
Ошибки измерения могут быть:
систематические – зависят от прибора или метода измерения;
грубые – по вине «человеческого фактора»;
случайные – зависят от внешних факторов.
Систематические ошибки исключаются с помощью метрологической аттестации средств измерения. Грубые ошибки исключаются с помощью «отбраковки».
Случайные ошибки вызваны действием большого количества
случайных внешних факторов. Их влияние на результат измерения исключается методами математической статистики. Большинство случайных процессов в природе подчиняется нормальному распределению Лапласа-Гаусса (рис. 1), свойства которого
рассматриваются в курсе высшей математики.
0,5
p (X) = f0;1 (X)
0,4
0,3
0,2
0,1
0
X
–4
–3
–2
–1
0
1
2
3
4
Рис. 1. График плотности нормального распределения
9
Предположим, что имеется несколько результатов измерения
случайной величины Х, подчиняющихся нормальному распределению: Х1, Х2, Х3 … Хn (где n – число измерений или число испытанных образцов). Предположим также, что систематические
и грубые ошибки измерения уже исключены.
В соответствии со свойствами нормального распределения
_
приближенная оценка истинного значения величины X равна
среднему арифметическому из результатов измерения:
_ Х +Х +Х +…+Х
1
2
3
n
X = ––––––––––––––––––
.
(2)
n
Соответственно, погрешность каждого
i-го измерения
_
Пi = (Xi – X ).
(3)
Абсолютной мерой точности данных измерений (в единицах
измерения Х) является среднее квадратичное (стандартное)
отклонение σ:
∑Пi2
σ = ––––––
.
(4)
(n – 1)
√
С уменьшением стандартного отклонения результаты измерений группируются ближе к среднему арифметическому (рис. 2).
0,9
P(X)
0,8
0,7
0,6
σ = 0,5
0,5
0,4
σ=2
0,3
σ=1
0,2
0,1
0
–0,1
–4
–2
0
2
4
Рис. 2. Графики плотностей нормальных распределений с разными
стандартными отклонениями
10
X
Относительной мерой точности данных измерений является
коэффициент вариации С:
100 · σ
_
C = –––––––
(%) .
(5)
X
Все предыдущие вычисления выполнялись в предположении,
что грубые ошибки измерений отсутствуют. Однако, если какие
либо результаты измерений Хmax или Хmin значительно отличаются от остальных результатов измерений в большую или меньшую
сторону, следует провести проверку на наличие грубых ошибок
измерений. Отбраковка результатов измерений, являющихся грубой ошибкой, производится
_ по критерию Rр («эр-критерий»):
_
|Xmin – X |
|Xmax – X |
Rp = –––––––––– или Rp = –––––––––– .
(6)
(n
–
1)
(n
–
1)
σ
σ
n
n
Проверяемый результат измерения Хmax (или Хmin) считается
грубой ошибкой, если критерий Rр больше табличного значения
Rт, т. е.
√
√
Rp > Rт .
(7)
Табличные значения критерия Rт при доверительной вероятности Р = 0,95 (наиболее часто принимаемая в инженерной практике вероятность) в зависимости от числа измерений n представлены в табл. 2.
Таблица 2
n–2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Rт
1,41
1,69
1,87
1,92
2,09
2,17
2,24
2,29
2,34
2,39
После отбраковки грубых ошибок вычисление среднего арифметического и других статистических характеристик повторяют
снова (без учета результатов, признанных грубой ошибкой).
Одним из свойств нормального распределения является то, что
в диапазон ±3 · σ относительно среднего арифметического попадает 99,7 % результатов измерений (рис. 3). Таким образом, с вероятностью Р = 0,997 можно быть уверенным, что любой результат
_ измерения свойств материала будет находиться в диапазоне
X ± 3 · σ. При сужении диапазона, например до ±2 · σ или ±1 · σ,
количество результатов измерений, гарантированно попадающих
11
99,7 %
95,4 %
68,3 %
0,13 %
34,1 % 34,1 %
2,2 %
2,2 %
0,13 %
13,6 %
18,87 21,94 25,01
13,6 %
6,59 9,66 12,73 15,8
–1σ
+1σ
–2σ
+2σ
–3σ
+3σ
Рис. 3. Распределение результатов измерений внутри интервалов
при нормальном распределении
в этот диапазон (называемый двухсторонним доверительным интервалом), уменьшается соответственно до 95,4 и 68,3 %.
В общем случае двухсторонний доверительный интервал, в
который с вероятностью Р попадают результаты измерения величины Х, равен:
_
X ± t · σ ,
(8)
где t – критерий Стьюдента (его величина зависит от доверительной вероятности Р).
Доверительные интервалы
_ могут быть несимметричными. Например, в интервал Х > (X – 2 · σ) попадает 97,67 % результатов
измерений.
Для среднего значения Х доверительный интервал с вероятностью Р равен:
– t ·σ
_ .
X ± ––––
(9)
√n
Значения критерия Стьюдента t при доверительной вероятности Р = 0,95 в зависимости от числа измерений n приведены в
табл. 3.
Таблица 3
n–1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
20
t
4,30
3,18
2,78
2,57
2,45
2,36
2,31
2,26
2,23
2,09
12
Чем больше число измерений, тем точнее результат определения истинного значения измеряемой величины. Необходимое
(для получения заданной точности результата) число измерений
при Р = 0,95:
3,84 · c2
n = ––––––––
,
(10)
ε2
где С – коэффициент вариации, % (устанавливается в постановочном эксперименте или принимается по справочным данным);
ε – требуемый показатель точности измерения (допустимая ошибка). Для целей инженерной практики ε может быть принят равным 5 %. В этом случае при Р = 0,95
n ≈ 0,15 · C2 .
(11)
Обычно, при испытании дорожно-строительных материалов
число измерений (число испытываемых образцов) n принимается
не менее 3. При испытаниях грунтов, характеризующихся большой изменчивостью свойств (и, следовательно, высокими значениями коэффициента вариации С), число измерений n рекомендуется принимать не менее 6.
На основании статистической обработки результатов измерений в практике дорожного материаловедения решаются две
основные практические задачи:
1. При сравнении двух материалов по одной и той же характеристике свойств сопоставляются средние арифметические значения
результатов измерения (испытаний) этих материалов. Однако при
таком сравнении необходимо учитывать не только абсолютные средние арифметические значения, но и величины доверительных интервалов для каждого из средних значений, определяемые по формуле (9). Только в том случае, когда доверительные интервалы двух средних значений не перекрывают друг друга, можно говорить о том, что
сравниваемые материалы с принятой доверительной вероятностью
Р статистически различаются. То есть один материал, например,
лучше другого. В противном случае различия между средними значениями сравниваемых свойств двух материалов с принятой доверительной вероятностью Р статистически не значимы. Таким образом
эти материалы (с принятой доверительной вероятностью Р) следует
считать одинаковыми по сравниваемым свойствам. При этом необходимо, чтобы статистические характеристики для обоих материалов вычислялись при одной и той же доверительной вероятности Р.
13
Пример. Среднее значение прочности у материала № 2 выше,
чем среднее значение прочности материала № 1. Действительно
ли материал № 2 прочнее, чем материал № 1?
–
X 1 = 25 Мпа; n1 = 5; σ1 = 1,5 МПа; Р1 = 0,95; t1 = 2,78.
–
Доверительный интервал для X 1 = (25 ± 2,78 _· 1,5 ) МПа или
√5
–
–
23,14 МПа < X 1 > 26,86 МПа; X 2 = 35 МПа; n2 = 4; σ1 = 2,5 МПа;
Р2 = 0,95; t2 = 3,18.
–
Доверительный интервал для X 2 = (35 ± 3,18_· 2,5 ) МПа или
√4
–
31,02 МПа < X 2 > 38,98 МПа.
Из сравнения доверительных интервалов видно, что они не
перекрываются, так как наибольшее значение для интервала
Х1 – 26,86 МПа меньше наименьшего значения интервала
Х2 – 31,02, поэтому разница в прочности между материалом
№ 1 и № 2 статистически значима. Следовательно, с принятой
доверительной вероятностью Р = 0,95, можно утверждать, что материал № 2 прочнее, чем материал № 1.
2. При проектировании автомобильных дорог расчетные характеристики материалов Хр определяются с учетом статистической обработки результатов измерений
по формуле:
_
Хр = X – t · σ .
(12)
В этом случае с принятой доверительной вероятностью Р гарантируется, что в процессе строительства и эксплуатации автомобильной дороги фактическая характеристика свойств материала Х будет не ниже характеристики Хр, принятой в проектном
расчете. Таким образом, с принятой доверительной вероятностью
Р обеспечивается надежная работа дорожной конструкции.
Пример. По результатам сравнения двух материалов в ранее
приведенном примере для строительства автомобильной дороги
был выбран более прочный материал № 2. При проектировании
для выполнения проверочного расчета на прочность было принято расчетное значение прочности этого материала Хр = (35 –
– 3,18 · 2,5) МПа = 27,05 МПа, что с доверительной вероятностью
Р = (0,95 + 0,05/2) = 0,975 гарантирует дорожную конструкцию от
разрушения.
14
2. Воздействия, которым подвергаются
материалы в процессе строительства
и эксплуатации автомобильных дорог
Свойства материалов проявляются при определенных условиях и под влиянием определенных воздействий на них. Автомобильная дорога может быть долговечной только в том случае,
если она построена из материалов, прочность которых соответствует транспортным нагрузкам и другим воздействиям в период
эксплуатации. Поэтому прежде всего необходимо рассмотреть в
каких эксплуатационных условиях находятся (работают) дорожные материалы, а также при каких технологических условиях они
приготавливаются и применяются.
Традиционная дорожная конструкция (рис. 4) включает от 1 до
3 слоев дорожного покрытия (в примере – 2 слоя асфальтобетона) и от 1 до 3 слоев основания (в примере – слои обработанного
щебнем битума, щебня и песка). Покрытие и основание входят в
состав дорожной одежды. При проектировании автомобильной
дороги слои дорожной одежды проверяются расчетом на прочность по нескольким критериям. Для выполнения этих проверочных расчетов необходимы материаловедческие знания о расчетных значениях тех свойств материалов, которые обеспечивают
прочность дорожной конструкции.
Ниже слоев покрытия и основания дорожной одежды может
располагаться дополнительный слой дорожной одежды, к которому в общем случае не предъявляются особые требования по
прочности. Он предназначен для выполнения специальных функций, например для дренирования дорожной одежды (обеспечивает отвод воды).
Дренирующая способность дополнительного слоя зависит от
способности его материала проводить воду и также подлежит проверочному расчету при проектировании автомобильной дороги.
15
Асфальтобетон плотный из горячей мелкозернистой
щебеночной смеси, тип А, марка I, ГОСТ...
–0,05
Асфальтобетон плотный из горячей мелкозернистой
щебеночной смеси, марка I, ГОСТ...
–0,07
Щебень фракционированный, обработанный
вязким битумом марки..., в установке, ГОСТ...
–0,06
Щебень фракционированный, ГОСТ...
–0,20
Песок мелкий, ГОСТ...
0,10
0,15
0,10
0,15
1
5
10,
0,10 0,10 0,20
0,10
Плодородный слой
–0,30
20
0,05
0,10
20
40
Рис. 4. Конструкция дорожной одежды
Дорожная одежда (включая дополнительный слой) располагается на земляном полотне автомобильной дороги. При проектировании автомобильной дороги конструкция земляного полотна
в необходимых случаях проверяется расчетом на устойчивость,
что требует знания таких свойств грунтов, как сжимаемость под
нагрузкой и сдвиговые характеристики.
В процессе эксплуатации автомобильной дороги материал дорожного покрытия воспринимает вертикальное давление от колес автомобилей, которое для современных грузовых автомобилей может достигать 7 т в расчете на одно колесо, что вызывает
в материалах дорожного покрытия и расположенных ниже слоев
различные деформации и напряжения. Колеса современных автомобилей снабжены пневматическими шинами. Причем давление воздуха в шинах грузовых автомобилей обычно составляет
0,6 МПа (6 кгс/см2), а в шинах легковых автомобилей – 0,2 МПа
(2 кгс/см2). Под нагрузкой пневматическая шина деформируется,
поэтому при увеличении массы автомобиля увеличивается площадь контакта колеса с дорожным покрытием (площадь отпе16
чатка), через которую нагрузка передается на материал дорожного покрытия. Однако удельное давление колеса на дорожное
покрытие остается при этом практически постоянным и равным
давлению воздуха в шине. Таким образом, в самом неблагоприятном случае (действие движущегося грузового автомобиля с учетом коэффициента динамичности Кд = 1,3) в материале дорожного покрытия могут возникать сжимающие напряжения величиной
до 0,6 · 1,3, т. е. приблизительно 0,8 МПа (8 кгс/см2). В свою очередь площадь отпечатка колеса грузового автомобиля при этом
может достигать 0,1 м2 (1000 см2 ).
Фактически отпечаток колеса имеет форму эллипса. Однако с
целью упрощения проектных расчетов форма отпечатка принимается в виде круга, равновеликого по площади эллипсу. В зависимости от типа расчетного грузового автомобиля диаметр отпечатка колеса принимается в пределах от 0,33 до 0,39 м.
Несмотря на невысокие сжимающие напряжения, общая величина давления колеса автомобиля на дорожное полотно (как было
уже отмечено) может достигать весьма значительной величины.
В результате этого давления дорожная конструкция, включая дорожную одежду и верхнюю часть земляного полотна, получает
под колесом местную деформацию в виде чаши прогиба. Вокруг
отпечатка колеса чаша прогиба может иметь радиус до 1,0 м и
глубину прогиба в центре площади отпечатка колеса до 1 мм.
Несмотря на кажущуюся небольшую величину прогиба, в нижних «волокнах» монолитных слоев дорожной одежды (например,
в асфальтобетоне) в центре чаши прогиба возникают значительные по величине растягивающие напряжения.
В слоях из несвязных материалов (например, в песке) также
могут возникать значительные по величине сдвигающие напряжения. При недостаточной прочности материалов слоев дорожной одежды и недостаточной толщине этих слоев растягивающие
и сдвигающие напряжения могут разрушить дорожную одежду.
Глубина чаши прогиба, а следовательно и напряжения в материалах дорожной одежды, зависят от упругих свойств этих материалов.
Еще одним силовым фактором, действующим со стороны
колес автомобилей на материалы дорожного покрытия и нижележащих слоев, являются сдвиговые нагрузки, возникающие
при разгоне и торможении автомобилей, а также при движении
автомобилей на участках с продольным уклоном. По некоторым
17
данным, величина сдвиговых напряжений в материале дорожного покрытия под колесом грузового автомобиля может достигать
1,5 МПа (15 кгс/см2 ).
С учетом преобладающих скоростей движения автомобилей
(60–90 км/ч) продолжительность воздействия колеса автомобиля
на материал дорожного покрытия в пределах площади отпечатка
колеса составляет всего 0,01–0,02 с.
Особенностью автомобильных дорог как инженерных сооружений является то, что по ним ежесуточно движется большое
количество автомобилей. На многих современных автомагистралях интенсивность движения составляет тысячи и даже десятки
тысяч автомобилей в сутки. Как уже отмечено, проезд каждого
автомобиля, особенно грузового, вызывает в материале дорожной
конструкции кратковременный комплекс деформаций и напряжений. На протяжении многих лет эксплуатации это составляет
миллионы и даже десятки миллионов циклов нагружения. Такое
интенсивное воздействие приводит к «усталости» материалов и
ускоряет их разрушение.
Наряду со способностью выдерживать напряжения от давления тяжелых грузовых автомобилей, большое значение для долговечности дорожного покрытия имеет устойчивость дорожностроительных материалов к износу колесами автомобилей.
Быстрый износ материала дорожного покрытия колесами многочисленных автомобилей приводит к образованию колеи, что снижает безопасность дорожного движения и требует более частых
ремонтов покрытия.
Кроме механического воздействия на дорожную конструкцию со стороны автомобилей, она подвергается интенсивному и
агрессивному воздействию природно-климатических факторов.
В первую очередь следует отметить действие воды. Вода в виде
жидких атмосферных осадков, грунтовых вод или водяного пара
активно проникает в материалы дорожной конструкции и снижает их прочность. Особенно вредное воздействие оказывают агрессивные воды, загрязненные различными химическими веществами, в том числе растворы противогололедных материалов (ПГМ),
применяемых в процессе эксплуатации автомобильных дорог для
борьбы с зимней скользкостью.
Не менее важное влияние на свойства некоторых дорожных
материалов оказывают температуры наружного воздуха, при которых происходит эксплуатация автомобильной дороги. Эти экс18
плуатационные температуры охватывают диапазон от –60 °С (в
северных регионах) до +60 °С (в южных регионах). Жаркая летняя погода приводит к размягчению и снижению прочности таких
дорожных материалов, как асфальтобетоны, а зимняя стужа способна разрушить даже такие прочные материалы, как цементный
бетон. Промерзание водонасыщенных грунтов земляного полотна сопровождается морозным пучением вышележащей дорожной
одежды и разрушением ее.
Долговечность дорожно-строительных материалов в процессе эксплуатации автомобильной дороги во многом определяется
тем, какую прочность и какие свойства они приобретут в период
строительства. Технологические параметры процессов приготовления, промежуточного складирования, транспортирования,
укладки и уплотнения дорожно-строительных материалов оказывают большое влияние на их конечные свойства.
Среднестатистическими условиями, при которых ведутся работы с применением дорожно-строительных материалов, является сухая и теплая погода (температура воздуха 15–25 °С, относительная влажность воздуха 60–70 % и атмосферное давление,
равное 0,1 МПа).
Однако разнообразие климатических условий и непостоянство погоды часто вынуждают строителей работать и в других
условиях. Различия в технических характеристиках имеющегося
в строительных организациях технологического оборудования
и строительных машин также вносят разнообразие в условия
осуществления даже однотипных строительно-технологических
процессов. Так, различия в массе и конструкции дорожных катков обусловливают различную их уплотняющую способность для
одних и тех же материалов, поэтому температура, влажность и
другие параметры технологических процессов при производстве
и применении дорожных материалов могут значительно отличаться от среднестатистических условий. Это также необходимо
учитывать как при выборе того или иного материала, так и при
выборе технологических режимов работы с этим материалом.
19
3. Влияние структуры и состава
материалов на их свойства
3.1. Основные понятия и определения
Структура – строение, взаимное расположение элементов в
пространстве.
Микроструктура – взаимное расположение в пространстве и
взаимосвязь атомов, ионов, молекул, не видимых невооруженным
взглядом. Микроструктура устанавливается специальными методами научных исследований (электронный микроскоп и т. п.).
Макроструктура – взаимное расположение составляющих
материал элементов, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении.
Текстура – сложение материала, пространственное расположение составляющих материал крупных элементов.
Фаза – структурно однородная часть материала, ограниченная
поверхностью раздела фаз. Характеризуется одинаковыми свойствами во всех своих точках.
Фазовый переход – переход вещества фазы из одного физического состояния в другое (например, переход воды из жидкого
состояния в парообразное).
Система – совокупность фаз.
Изотропия – одинаковость свойств материала во всех направлениях.
Анизотропия – неодинаковость свойств материала в различных направлениях.
Гетерогенность – неоднородность.
Гомогенность – однородность.
20
3.2. Основные виды структурных связей
Химические связи (прочные):
– атомная связь (соседние атомы имеют общие электроны).
Она может быть ковалентной или металлической;
– ионная (притяжение между противоположно заряженными
ионами).
Физико-химические связи (слабые межмолекулярные взаимодействия):
– водородная связь (ион водорода является общим для соседних противоположно заряженных ионов – «водородный мостик»);
– силы Ван-дер-Ваальса (силы различной физической природы, действующие на расстоянии до 10–9 м).
3.3. Основные типы микроструктур
Основные типы микроструктур схематично показаны на рис. 5.
Они определяются типом структурных связей:
Атомная микроструктура (алмаз) характеризуется высокой
температурой плавления и высокой твердостью.
Ионная (поваренная соль) характеризуется средней температурой плавления и средней твердостью.
а)
б)
в)
г)
Рис. 5. Основные типы микроструктур: а – атомная; б – ионная; в – молекулярная; г – металлическая
21
Молекулярная (лед) характеризуется низкой температурой
плавления и низкой твердостью.
Металлическая характеризуется изменчивостью свойств, которые зависят от концентрации свободных электронов в металле.
3.4. Состав и текстура материалов
По составу материалы подразделяются на однородные и неоднородные. Состав материалов устанавливается методами химического анализа или методом электронной спектрометрии.
Признаки и свойства однородных материалов:
• Состоят из одного вида атомов (медь), ионов (поваренная
соль), молекул (вода), макромолекул (полимеры).
• Их свойства определяются свойствами составляющих их частиц и энергией связи между ними.
• У большинства однородных материалов во всем их объеме
строго упорядоченная (кристаллическая) микроструктура –
«дальний порядок». Кристаллические вещества, как правило,
анизотропны.
• У части однородных веществ отсутствует «дальний порядок».
Их микроструктура строго упорядочена, т. е образует кристаллы, но только в пределах небольших объемов (микрообъемов) –
«ближний порядок». Такие вещества называют аморфными.
Аморфные вещества, как правило, изотропны и не имеют выраженной температуры плавления.
Большинство строительных материалов являются неоднородными и состоят (сложены) из нескольких различных однородных
веществ, образующих отдельные фазы внутри объема строительного материала. Такие строительные материалы называют композиционными (объединенными). Фазы могут быть твердыми (Т),
жидкими (Ж) или газообразными (Г). В большинстве строительных материалов отдельные фазы разделены на мелкие части (тем
не менее в сумме они составляют одну фазу).
Гетерогенные системы, в которых частицы одного вещества
(дисперсная фаза) распределены в другом веществе (дисперсионная среда), называются дисперсными системами.
По величине частиц строительные материалы можно разделить:
• на грубодисперсные (щебень, песок и т. д.);
22
• мелкодисперсные (цемент, минеральный порошок и т. д.).
• коллоидные (размер частиц менее 10–9 м).
3.5. Основные типы макроструктур композиционных
дисперсных материалов
В базальной (рис. 6) макроструктуре частицы дисперсной
фазы не контактируют между собой и как бы плавают в дисперсионной среде. Свойства материала с базальной структурой определяются свойствами дисперсионной среды.
В поровой (рис. 7) макроструктуре прослойки дисперсионной
среды уменьшаются по толщине, поэтому влияние дисперсной
фазы на свойства материала увеличивается.
В контактной (рис. 8) макроструктуре высокая концентрация (содержание) дисперсной фазы. Частицы дисперсной фазы
контактируют друг с другом и образуют между собой связи. Создается пространственная структура (пространственный каркас,
пространственная сетка) из частиц дисперсной фазы. Свойства
материала определяются свойствами дисперсной фазы и поверхностными явлениями на границе фаз в местах контакта частиц
дисперсной фазы.
1
2
1
2
1
2
Рис. 6. Базальная макро- Рис. 7. Поровая макро- Рис. 8. Контактная маструктура: 1 – дисперс- структура: 1 – дисперс- кроструктура: 1 – дисная фаза; 2 – дисперси- ная фаза; 2 – дисперси- персная фаза; 2 – дисперсионная среда
онная среда
онная среда
23
3.6. Основные типы контактов в композиционных
материалах с контактной структурой
Коагуляционные контакты (рис. 9, а) образуют коагуляционные структуры. Между частицами дисперсной фазы, в местах их
контакта, располагаются тонкие прослойки дисперсионной среды (толщиной в несколько молекулярных слоев). При этом типе
контактов действуют силы Ван-дер-Ваальса. Такие структурные
связи имеют невысокую прочность и обратимы (тиксотропны),
т. е. после разрушения могут восстанавливаться.
Основные особенности материалов с коагуляционной структурой – невысокая прочность, ползучесть, тиксотропность (например, водонасыщенные грунты). Прочность коагуляционных
структур возрастает при повышении концентрации дисперсной
фазы (например, при высыхании грунта).
Конденсационные контакты (рис. 9, б) образуют конденсационные структуры. При этом в местах контактов возникают
прочные химические связи. Такие структуры обладают высокой
прочностью, упругостью и хрупкостью. Они не тиксотропны
(т. е после разрушения связи не восстанавливаются). Водостойкость таких структур определяется устойчивостью (или неустойчивостью) к действию воды химических связей, образующихся в
местах контакта.
Кристаллизационные контакты (рис. 9, в) образуются в
результате срастания кристаллов новообразований, например
при твердении цемента. Такие структуры очень прочны, упруги,
хрупки, тепло- и водостойки.
а)
б)
в)
Рис. 9. Основные типы контактов в композиционных материалах с контактной
структурой
24
4. Термодинамика
4.1. Основные определения и понятия термодинамики
Термодинамика – это наука, изучающая наиболее общие законы преобразования и передачи энергии.
Строительный материал – это совокупность фаз, т. е. система.
Состояние системы описывается параметрами системы:
объемом V;
давлением p;
температурой Θ;
концентрацией С и т. д.
Внутренняя энергия системы U – сумма потенциальной и
кинетической энергии атомов и молекул, составляющих систему.
Участие системы в каких-либо процессах приводит к изменению
ее внутренней энергии ∆U:
∆U = U1 – U2 .
(13)
Изменение внутренней энергии системы зависит только от начального и конечного состояния системы, но не зависит от пути
перехода системы из одного состояния в другое (рис. 10).
V
U2
a
ΔU1
b
ΔU2
U1
Θ
Рис. 10. Изменение внутренней энергии в циклическом процессе: V – объем системы, Θ – термодинамическая температура
25
Такие параметры в термодинамике называются функциями
состояния. Изменение внутренней энергии не зависит от пути
процесса (∆U при U1 – a – U2 равно ∆U при U1 – b – U2).
Для циклического процесса, который заканчивается при начальном состоянии системы (U1 – a – U2 – b – U1), изменение
внутренней энергии системы ∆U равно 0.
Теплота Q – энергия, передаваемая системе путем теплообмена (т. е. благодаря броуновскому движению).
Работа A – энергия упорядоченного движения всей системы
под действием каких-либо сил.
Теплота и работа в общем случае не являются функциями состояния, так как зависят от пути процесса (рис. 11).
Свободная энергия – та часть внутренней энергии системы,
которая может быть превращена в работу.
Изолированная система – система, у которой объем и энергия постоянны.
Изотермные процессы – процессы, протекающие при постоянной температуре (например, дробление щебня).
Изобарные процессы – процессы, протекающие при постоянном давлении (например, твердение цемента на открытом воздухе).
Изохорные процессы – процессы, протекающие при постоянном объеме (например, автоклавная обработка вяжущих).
р
A1
a
b
A2
V
Рис. 11 Зависимость работы расширения газа при постоянной температуре
А = ∆р · V от пути перехода системы в новое состояние (площади под кривыми
А1 – b – А2 и А1 – а – А2 отличаются)
26
Равновесным называют такое состояние системы, при котором выполняются следующие условия:
• При неизменных внешних условиях параметры системы не
меняются с течением времени.
• Имеет место динамическое равновесие (сколько молекул уходит из жидкости в пар – столько же и возвращается обратно).
• Равновесие может быть достигнуто как в прямой реакции,
так и в обратной:
HCl ↔ H + + Cl – (14)
4.2. Первый закон термодинамики
Приданное системе количество теплоты расходуется
только на увеличение ее внутренней энергии и совершение работы:
Q = ∆U +A .
При изохорном процессе (V = const)
A = p · ∆V = 0 ,
Qv = ∆U .
При изобарном процессе (p = const)
Qp = (U2+ p · V2) – (U1+ p · V1) .
(15)
(16)
(17)
(18)
Величина Н = U + p · V называется энтальпия (теплосодержание). Изменение энтальпии при переходе системы из одного
состояния в другое имеет вид
(19)
∆Н = Н2 – Н1 или
Qp = ∆Н .
(20)
В том случае, когда ∆Н < 0, в ходе протекания процесса выделяется тепло и, наоборот, при ∆Н > 0 тепло поглощается.
В соответствии с законами термодинамики, наиболее вероятным состоянием любой системы является равновесное состояние
(так же, как и в механике).
Термодинамическую вероятность ω можно представить как
отношение числа благоприятных способов существования системы n к числу возможных способов существования системы m.
27
Функция состояния системы, зависящая от термодинамической вероятности, называется энтропией S
S = k · ln ω ,
(21)
–23
где k – постоянная Больцмана (k = 1,4 ·10 Дж/К).
Чем больше энтропия какого-либо процесса, тем выше вероятность протекания именно этого процесса, поэтому в изолированных системах самопроизвольно протекают реакции, у которых
∆S = S2 – S1 > 0.
(22)
Соответственно при ∆S = 0 достигается равновесие системы.
4.3. Второй и третий законы термодинамики
Математическое выражение второго закона термодинамики
имет вид:
∆S = ∆Q / Θ .
(23)
При абсолютном нуле температуры энтропия системы
равна 0 – это третий закон термодинамики.
4.4. Термодинамический потенциал
Большинство реальных систем неизолированные, и большинство реальных процессов не являются чисто изобарными, изохорными или изотермными.
Для анализа реальных систем (при постоянном давлении и
температуре) используют величину свободной энергии, которую
называют термодинамический потенциал Z.
Z = H – Θ · S .
(24)
Изменение термодинамического потенциала системы
∆Z = Z2 – Z1 .
(25)
Процессы в неизолированных системах протекают самопроизвольно, если ∆Z < 0. При ∆Z = 0 достигается равновесие системы.
28
4.5. Тепловые эффекты
Энтальпия, энтропия и термодинамический потенциал относятся к тепловым эффектам химических реакций. Согласно
закону Гесса, тепловой эффект термодинамического процесса зависит только от начального и конечного состояния системы, но
не зависит от промежуточных стадий процесса, т. е. тепловые эффекты являются функциями состояния.
Информация о тепловых эффектах многих реакций содержится в специальных справочниках, где за стандартное состояние
приняты следующие условия протекания процесса:
• атмосферное давление (избыточное давление р равно 0);
• температура Θ = 298 К (25° С).
4.6. Применение термодинамики в материаловедении
Рассмотрим в качестве примера производство строительной
извести. Из курса химии известна формула этого процесса
СаСО3 → СаО + СО2↑
(26)
Но не известны технологические условия протекания этого
процесса, например при атмосферном давлении.
Справочные данные о тепловых эффектах для участвующих в
реакции веществ (при р = 0 и Θ = 298 К) представлены в табл. 4.
Таблица 4
Вещество
СаСО3
СаО
СО2
92,2 · 10–3
41,9 · 10–3
213,7 · 10–3
∆Z, кДж/моль
– 1131,3
– 603,4
– 393,9
∆Н, кДж/моль
– 1209,2
– 636,9
– 393,9
∆S, кДж/моль·К
На основании имеющихся справочных данных можно выполнить анализ в соответствии с законами термодинамики. При этом
следует иметь в виду, что знак минус при тепловом эффекте означает выделение тепла в ходе реакции.
29
Вычислим изменение термодинамического потенциала системы при 298 К (+25 °С) и атмосферном давлении. С учетом
формулы (24) и данных табл. 4 ∆Z = 226,3 Дж/моль > 0, т. е. при
атмосферном давлении и температуре +25 °С этот процесс самопроизвольно идти не может.
Начальная энтальпия процесса равна изменению энтальпии
исходного вещества Н1 = – 1209,2 кДж/моль.
Конечная энтальпия процесса равна сумме изменения энтальпий конечных продуктов Н2 = –636,9 + (–393,9) = –1030,8 кДж/моль.
Изменение энтальпии процесса согласно формуле (18)
∆Н = –1030,8 – (–1209,2) = + 178,4 кДж/моль > 0. Следовательно,
процесс получения извести из известняка идет с поглощением
тепла, т. е. требуется нагревание.
Необходимая температура нагрева может быть определена из
условия ∆Z = ∆H – Θ · ∆S = 0. После подстановки численных значений, имеем ∆Z = [–636,9 + (–393,9) – (–1209,2)] – Θ · [41,9 · 10–3 +
+ 213,7 · 10–3 – 92,2 · 10–3 ] = 0, или 178,40 – Θ · 0,1634 = 0.
Из решения этого уравнения следует, что Θ = 1092 К = 819 °С.
Именно при температурах более 820°С и проводится обжиг извести на практике.
30
5. Химическая кинетика
В основе многих процессов, важных для строительства и эксплуатации дорожных сооружений, лежат химические реакции. К
ним относятся реакции, протекающие при твердении различных
строительных смесей (например, цементных бетонов), а также
реакции, протекающие в органических вяжущих под влиянием
эксплуатационных факторов и приводящие с течением времени
к ухудшению свойств асфальтобетонов. Скорость этих реакций
оказывает решающее влияние на технологию строительства и
долговечность сооружений.
Химическая кинетика – раздел химии, изучающий скорости
химических реакций.
5.1. Основные виды химических реакций
Гомогенные реакции (рис. 12) идут в объеме одной фазы
(реагирующие вещества равномерно перемешаны между собой).
Примеры – полимеризация высокомолекулярных органических
веществ, реакции между растворами солей и кислотами.
3
3
2
1
1
2
3
2
1
1
2
1
2
3
Рис. 12. Гомогенная реакция диссоциации поваренной соли: 1, 2, 3 – диполи воды
Гетерогенные реакции протекают на поверхности раздела фаз.
Примеры – твердение минеральных вяжущих, коррозия (рис. 13).
Последовательные реакции – реакции (рис. 14), в которых
промежуточный продукт, образующийся на одной стадии процес31
Растворенные молекулы сахара
Молекулы сахара
Молекулы воды
Рис. 13. Гетерогенная реакция растворения сахара с поверхности
са, расходуется на следующей стадии. Пример: гидратация вяжущих веществ и последующая кристаллизация новообразований в
ходе твердения.
Параллельные реакции (см. рис. 14), реакции, в которых исходное вещество может одновременно реагировать двумя или более независимыми путями.
Цепные реакции – это такие реакции, в которых каждый предыдущий акт вызывает один или несколько последующих. Причем
их повторение связано с образованием неустойчивых продуктов.
К типу цепных относятся важные для дорожного строительства
реакции медленного окисления органических вяжущих (битумов
Последовательные реакции
А→Б→В→Г
Параллельные реакции
Б
Г
А
Последовательно-параллельные реакции
В
А→Б
Г
В
Рис. 14. Схема последовательной, параллельной и последовательнопараллельной реакций: А, Б, В, Г – стадии процесса
32
Н2О
ОН*
Н*
Н2О
О*
ОН*
Н*
ОН*
Н*
О*
ОН*
ОН*
О*
Н2О
Н*
ОН*
О*
Рис. 15. Цепная реакция с разветвляющимися цепями
в асфальтобетонах при эксплуатации автомобильных дорог) или
горение органических веществ. Цепные реакции бывают простые (с неразветвляющимися цепями) и с разветвляющимися
цепями (рис. 15). На рисунке звездочками помечены свободные
(неустойчивые) радикалы и свободные атомы, образующиеся в
ходе реакции.
5.2. Основной закон химической кинетики для
гомогенных реакций
Скорость гомогенной химической реакции V – изменение
количества реагирующих веществ в единице объема (концентрации) за единицу времени (моль/м3·с).
Закон химической кинетики для гомогенных реакций: скорость
реакции прямо пропорциональна произведению концентраций
реагирующих веществ, взятых в степенях их стехиометрических
коэффициентов.
Для реакции 1А + 2В = D + G скорость прямой реакции
V = К · СА1 · СВ2 ,
(27)
где СА и СВ – концентрации;
К – константа (удельная скорость) реакции; при постоянной
температуре она не зависит от концентрации реагирующих веществ.
33
5.3. Скорость последовательных и параллельных
реакций
И гомогенные, и гетерогенные реакции, как правило, многостадийны и могут проходить по механизму как последовательных, так и параллельных реакций.
Скорость последовательной реакции определяется скоростью самой медленной стадии этой реакции.
Скорость параллельной реакции равна сумме скоростей
всех составляющих ее реакций. Скорость параллельной реакции
(на примере реакции первого порядка, протекающей n независимыми путями)
V = К1 · С + К2 · С + … + Кn · С .
(28)
5.4. Влияние температуры на скорость химических
реакций
Химическая реакция – это процесс изменения молекул в результате изменения состава или перегруппировки атомов. В соответствии с законами термодинамики в результате химических
реакций достигается уменьшение внутренней энергии системы
(выигрыш энергии) и система становится термодинамически более устойчивой. Однако это не означает, что даже термодинамически возможные химические реакции начинаются и протекают
всегда самопроизвольно.
Атомы в молекулах удерживаются силами химических связей
различной природы, поэтому, чтобы изменить в ходе реакции состав или расположение атомов в молекуле, ее нужно сначала разрушить, т. е. разорвать хотя бы часть уже существующих связей
между атомами, или, как говорят, преодолеть некоторый потенциальный энергетический барьер Е (рис. 16).
Разрушение молекул и соответственно химическая реакция
происходят в результате столкновения молекул. При этом кинетическая энергия столкновения должна превышать потенциальный энергетический барьер Е. Молекулы любого вещества
обладают разной энергией и поэтому движутся с разной скоростью. Распределение их скоростей – случайный процесс и из-за
большого числа молекул он подчиняется нормальному закону
распределения.
34
Энергия
E
Исходное
вещество
E'
E1
Конечные
продукты
реакции
ΔE
E2
Путь реакции
Рис. 16. Схема к пояснению понятия «потенциальный энергетический барьер»
Относительное число молекул
с данной скоростью
В обычных условиях необходимой скоростью движения обладает небольшое число молекул (рис. 17), поэтому скорость реакции будет настолько мала, что реакция практически не будет идти.
Чтобы ускорить движение молекул и сместить равновесие в сторону реакции, системе нужно сообщить дополнительную энер273 К
Ea
Ea
1273 к
2273 к
Скорость молекул, м/с
0
1000
2000
3000
Рис. 17. Распределение молекул по скорости (потенциальной энергии)
в зависимости от температуры
35
гию для преодоления потенциального энергетического барьера Е.
Эту энергию называют энергией активации химической реакции Еа. Эту энергию можно сообщить системе, нагревая ее или
каким-либо другим путем: механическим (давление, вибрация),
воздействием электромагнитного поля и т. п.
При повышении температуры скорость реакции V возрастает
по экспоненциальному закону:
V = V0 · e
Ea
RΘ
,
(29)
где V0 – скорость реакции при бесконечно большой температуре (все молекулы имеют скорость и энергию, достаточные для
преодоления потенциального энергетического барьера); Eа – эффективная энергия активации; R – газовая постоянная; Θ – абсолютная температура.
В удобной для практического применения форме эта зависимость приближенно описывается правилом Вант-Гоффа:
V2 = V1 · A
Δt
10
,
(30)
где V2 и V1 – скорости реакции соответственно при температурах
t2 и t1; A – коэффициент скорости реакции; ∆t = t2 – t1.
Для большинства химических реакций коэффициент скорости
реакции A ≈ 2.
5.5. Ингибиторы и катализаторы
Ингибиторы – вещества, тормозящие цепные реакции. Их взаимодействие с неустойчивыми продуктами, образующимися в ходе
цепных реакций, приводит к образованию устойчивых продуктов.
В результате этого происходит обрыв цепей цепной реакции.
Катализаторы – вещества, ускоряющие реакцию, но не входящие в конечные продукты этих реакций. В результате их можно вводить в небольших количествах, так как они используются
в ходе реакции многократно. Механизм действия катализатора
основан на снижении необходимой для начала реакции энергии
активации Еа.
Введение катализатора приводит к появлению в ходе реакции
(как многостадийного процесса) новой стадии, энергия актива36
ции которой меньше, а скорость выше, чем у существующих стадий. В результате вместо процесса (без катализатора) А – В – С с
энергией активации Е1 идет процесс (с катализатором) А – D – С
с энергией активации Е2. Причем Е1 > Е2.
Катализаторы, изменяя кинетику (скорость) химических процессов, не изменяют термодинамических характеристик исходных и конечных продуктов.
5.6. Скорость гетерогенных реакций
Скорость гетерогенной химической реакции V – количество
вещества, реагирующего на единице поверхности за единицу
времени (моль/м2 · с).
При типичной для гетерогенных процессов реакции вещества
с поверхностью материала
V = К ' · S · C ,
(31)
где К ' – константа скорости гетерогенной реакции; S – реакционная поверхность; C – концентрация вещества.
Скорость гетерогенных процессов в значительной степени
определяется скоростью переноса исходных веществ к зоне реакции, а конечных продуктов – из этой зоны. Перенос вещества
(массоперенос) происходит в результате двух основных процессов: диффузии и конвекции. Диффузия – процесс самопроизвольного выравнивания концентрации вещества за счет теплового
движения молекул. Диффузия вещества из одной части системы
в другую тем сильнее, чем выше градиент (разница) концентраций вещества в этих частях системы. Конвекция – выравнивание
концентрации вещества в результате перемешивания.
5.7. Внешняя массопередача при гетерогенных
процессах
Внешняя массопередача имеет место при гетерогенных реакциях на внешней поверхности тела при обтекании его потоком
реагирующего с ним вещества. При этом тело разрушается с поверхности, в результате чего в окружающий раствор переходят
молекулы новообразований и ионы.
37
Если диффузия или конвекция (например, при интенсивном
перемешивании) происходят быстрее, чем сама химическая реакция на реакционной поверхности, то скорость процесса может
определяться уравнением (31), если конвективно – диффузионный массоперенос отстает от скорости самой реакции, то скорость процесса V будет зависеть от коэффициента диффузии D,
м2/с:
V = D · S (C1 – Cτ) / h ,
(32)
где S – площадь поверхности растворяющихся частиц; C1 – максимальная концентрация вещества в растворе, соответствующая
его растворимости при данной температуре; Cτ – переменная концентрация, зависящая от времени ее определения τ; h – толщина
слоя, в пределах которого происходит изменение концентрации
вещества.
5.8. Внутренняя массопередача при гетерогенных
процессах
К внутренней массопередаче относятся случаи коррозии
цементных бетонов под действием агрессивных вод, миграция
грунтовых вод к основанию сооружений, проникание растворов
противогололедных материалов в асфальтобетон (рис. 18 и 19).
Внутренняя диффузия зависит от концентрации раствора на
границе твердого тела, размеров его пор, соотношения между
С
τ=4
τ=1
τ = 0,25
0
x
Рис. 18. Примерное распределение концентрации (С) хлористых солей в слое
асфальтобетонного покрытия в зависимости от времени τ обработки противогололедными материалами; х – глубина проникновения солей в асфальтобетонное
покрытие
38
С
1
2
x
0
Рис. 19. Примерное распределение концентрации хлористых солей (С) в слое
асфальтобетонного покрытия в зависимости от условий эксплуатации: 1 – под
давлением колес автомобилей; 2 – свободная диффузия; х – глубина проникновения солей в асфальтобетонное покрытие
толщиной слоя, через который диффундирует раствор, и размером источника диффундирующего вещества. Она может быть
осложнена сопутствующими химическими реакциями между
раствором и стенками пор.
39
6. Поверхностные явления
6.1. Удельная поверхность
Площадь поверхности, м2/см3
Строительные материалы – многофазные системы, обладающие внутренней поверхностью раздела фаз. Одной из характеристик поверхности раздела фаз является удельная поверхность Sуд.
Единица измерения удельной поверхности – м2/кг (см2/г).
По мере измельчения частиц материала его удельная поверхность возрастает и достигает больших величин (рис. 20). Например, у цементов Sуд = 300–500 м2/кг.
Образование новых поверхностей раздела фаз внутри объема
материала сопровождается разрывом структурных связей в плоскости таких поверхностей. После разрыва эти связи на поверхности раздела фаз оказываются нескомпенсированными и потому
активными (рис. 21).
При контакте с нескомпенсированными связями на поверхности другой фазы они способны образовывать новые структурные
связи. Таким образом могут возникать новые структуры и образовываться новые материалы.
Размер частиц, мкм
Рис. 20. Зависимость удельной поверхности от размера частиц
40
Поверхность раздела
Нескомпенсированные связи
Рис. 21. Образование активных связей на поверхности раздела фаз
Следовательно, поверхность раздела фаз всегда является источником силового поля. Причем свободная энергия нескомпенсированных связей зависит от химического состава вещества. Эта
свободная энергия нескомпенсированных связей характеризуется
удельной поверхностной энергией σ, Н/м2. Таким образом, свободная поверхностная энергия системы
F = σ · Sуд .
(33)
При измельчении материала его химический состав и удельная
поверхностная энергия не изменяются, но увеличивается удельная поверхность. Следовательно, свободная поверхностная энергия одного и того же вещества возрастает по мере его измельчения и возрастания его удельной поверхности. Отсюда следует, что
сильно измельченные мелкодисперсные (а тем более коллоидные)
материалы более активны в процессах структурообразования, нежели те же самые материалы, но находящиеся в грубодисперсной
форме.
6.2. Поверхностные явления в грунтах
Грунты, используемые в дорожном строительстве, могут содержать частицы различного размера: от видимых невооруженным глазом до очень мелких. Частицы размером менее 10–4 м
называют пылеватыми, частицы размером менее 10–6 м – глинистыми, частицы менее 10–9 м – коллоидными.
При большом содержании пылеватых, глинистых и коллоидных частиц грунт имеет большую удельную поверхность и большую свободную поверхностную энергию.
41
Свободная поверхностная энергия обусловливает способность
тонкодисперсных частиц поглощать (сорбировать) из окружающей среды и удерживать на своей поверхности различные вещества, в том числе катионы. Поглощение вещества поверхностью
твердого тела называют адсорбцией. Свойства грунта, как и любого другого мелкодисперсного материала, в значительной степени зависят от того, какие вещества им адсорбированы.
Адсорбированные поверхностью грунтовых частиц катионы
могут вытесняться и заменяться другими катионами, поступающими из окружающей среды. Процессы насыщения грунта ионами одного вида и замещение их более активными ионами другого
вида проиллюстрировано на рис. 22–25. При этом, в зависимости
от свойств вновь адсорбированных ионов, могут изменяться и
свойства грунта.
Такой обмен всегда происходит в эквивалентных количествах.
Например, один двухвалентный катион заменяет два одновалент-
Рис. 22. Состояние частиц грунта после измельчения в результате выветривания
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Рис. 23. Процесс насыщения обменного комплекса грунта ионами Na+
42
ных, и наоборот. Общее количество обменных катионов, которое может содержаться в данном грунте, называется емкостью
обменного комплекса и зависит от химико-минералогического
состава грунта и его удельной поверхности. Емкость обменного комплекса грунта принято выражать внесистемной единицей миллиграмм-эквивалент (мг/экв) на 100 граммов грунта.
Миллиграмм-эквивалент катиона равен его атомной массе (выраженной в миллиграммах), деленной на его валентность. Выраженная таким образом емкость обменного комплекса есть величина постоянная и не зависит от природы катиона.
Например, грунт с емкостью обменного комплекса 80 мг/экв
на 100 г может адсорбировать в 100 г грунта 80 · 40/2 = 1600 мг
Ca2+ или 80 · 23/1 = 1840 мг Na+.
Эквивалентность этих количеств Ca2+ и Na+ заключается в равенстве их «суммарных валентностей».
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Рис. 24. Диспергированный грунт, насыщенный ионами Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Сa2+
Na+
Сa2+
Сa2+
Сa2+
Сa2+ > Na+
Сa2+
Рис. 25. Замещение в обменном комплексе грунта ионов Na+ на ионы Ca 2+
43
6.3. Управление свойствами строительных материалов
через свободную поверхностную энергию
С позиций термодинамики свободная поверхностная энергия
системы F является частью ее термодинамического потенциала Z.
Все самопроизвольно протекающие процессы в природе идут в
направлении уменьшения Z (т. е. ∆ Z = Z2 – Z1 < 0). Если материал
(например, тонко измельченный цемент, хранящийся на складе)
не участвует в химических превращениях, его термодинамический потенциал все равно стремится уменьшиться. Это происходит в результате уменьшения свободной поверхностной энергии.
В соответствии с формулой (32) свободная поверхностная
энергия может уменьшаться либо за счет уменьшения удельной
поверхностной энергии σ (чего при нормальных условиях хранения цемента не происходит), либо за счет уменьшения удельной
поверхности порошка Sуд.
Уменьшение удельной поверхности происходит в результате
слипания мелких частиц в более крупные агрегаты. Такой процесс, обратный измельчению, называют коагуляцией.
В некоторых случаях, например при использовании в строительстве глинистых грунтов, коагуляция полезна и ее вызывают
искусственно с помощью ионов кальция (рис. 26). При этом источником ионов кальция может являться известь. Двухвалентные
ионы кальция служат «мостиками» между мелкими частицами
грунта и «сшивают» их в более крупные агрегаты.
Ca
Ca
Микроагрегат
Ca
Ca
Ca
Ca
Ca
Ca
Ca
Рис. 26. Коагуляция мелкодисперсных частиц грунта под влиянием ионов Ca 2+
44
В случае хранения цемента или минерального порошка, используемого для приготовления асфальтобетона, коагуляция нежелательна, так как при слипании мелких частиц ухудшается качество этих материалов. В этом случае уменьшение свободной
поверхностной энергии может быть произведено за счет уменьшения удельной поверхностной энергии материала.
Для этой цели используют специальные поверхностноактивные вещества (ПАВ). Как правило, ПАВ – это органические соединения с асимметричной молекулярной структурой. На
одном конце молекулы находится активная полярная группа атомов (гидрофильный компонент), на другом – неполярная часть
(гидрофобный компонент). Активной группой молекула ПАВ закрепляется на энергетически активной поверхности раздела фаз.
Процесс предотвращения слипания мелких частиц схематично
показан на рис. 27–29.
Фаза № 1 (жидкость)
Нескомпенсированные связи
Активная поверхность раздела фаз
Фаза № 2 (твердое тело)
Рис. 27. Высокая активность поверхности мелких частиц,
приводящая к их слипанию
Фаза № 1
Неполярная (неактивная) часть
молекулы ПАВ
Молекулы ПАВ
Нескомпенсированные связи
Активная полярная группа ПАВ
Активная поверхность раздела фаз
Фаза № 2
Рис. 28. Введение в систему поверхностно-активного вещества
45
Фаза № 1 (жидкость)
Новая, неактивная поверхность раздела с низкой
поверхностной энергией
Фаза № 2 (твердое тело)
Рис. 29. Адсорбция поверхностью частиц молекул ПАВ, экранирующих
активную поверхность
В практике дорожного строительства наибольшее применение
нашли два типа ПАВ:
анионные ПАВ, активная группа которых имеет отрицательный заряд;
катионные ПАВ, активная группа которых имеет положительный заряд.
6.4. Смачивание поверхностей жидкостями
Энергия структурных связей внутри вещества обеспечивает
когезию (внутреннее сцепление). Энергия взаимодействия различных фаз на поверхности их раздела обеспечивает адгезию (прилипание одного вещества к поверхности другого). Природа возникновения сил адгезии и когезии проиллюстрирована на рис. 30.
Когезия
Жидкость
Адгезия
Твердое тело
Рис. 30. Природа сил адгезии и когезии (притяжение молекул
при смачивании)
46
Смачивание – это способность жидкости (1-я фаза) растекаться по поверхности твердого тела (2-я фаза). В строительной практике это поверхностное явление происходит обычно в присутствии газа или другой жидкости (3-я фаза). В этом случае говорят
о контактном смачивании.
Способность (или неспособность) данной жидкости смачивать данное твердое тело обусловлена соотношением сил адгезии
жидкости к твердому телу и сил когезии жидкости. Смачивание
происходит в том случае, когда силы адгезии преобладают над
силами когезии.
Количественной характеристикой смачиваемости является
краевой угол смачивания, зависящий от поверхностного натяжения жидкости (рис. 31). Если краевой угол смачивания меньше 90°, то жидкость смачивает твердое тело. Чем меньше краевой
угол смачивания и чем меньше поверхностное натяжение жидкости, тем лучше смачивание.
σж/в
σт/в
σт/ж
Рис. 31. Краевой угол смачивания. Поверхности раздела фаз: ж/в – жидкость –
воздух; т/в – твердое тело – жидкость – воздух; т/ж – твердое тело – жидкость
6.5. Свойства тонких пленок жидкости на поверхности
твердых тел
Тонкие (толщиной в несколько мкм) слои жидкости на поверхности твердых тел находятся под воздействием сил адгезии. При
этом силы межмолекулярного взаимодействия вызывают в пленках давление до 1000 МПа. Под действием такого давления жидкости начинают проявлять свойства твердых тел. Например, вода
по своим свойствам приближается к свинцу.
По мере удаления от поверхности твердого тела силы адгезии
ослабевают, и в слоях, отстоящих от поверхности твердого тела
47
на несколько мкм, жидкости вновь приобретают привычные для
нас свойства (рис. 32).
P
h
Рис. 32. Зависимость величины давления (Р) в пленке жидкости от расстояния
(h) до поверхности твердого тела
В строительных материалах химически не связанные жидкости (вода в грунтах, битум в асфальтобетоне) находятся в пленочном и объемном виде. Пленочная вода в грунтах не замерзает при
отрицательных температурах, но и не испаряется при нагревании.
Пленочный битум в асфальтобетоне обеспечивает его прочность.
6.6. Капиллярное всасывание
Из курса физики известно, что в тонких капиллярах, стенки
которых смачиваются жидкостью, наблюдается капиллярное поднятие жидкости. Высота поднятия жидкости может быть определена по формуле
2σ
cos φ
_______
h=
,
(34)
ρgr
где σ – поверхностное натяжение жидкости; φ – краевой угол смачивания; r – радиус капилляра; ρ – плотность жидкости; g – ускорение свободного падения.
Реальные строительные материалы – это капиллярно-пористые
тела, поэтому в них имеет место проявление капиллярного поднятия (всасывания) жидкости. Капиллярные свойства заметно проявляются при радиусе капилляра менее 50 мкм. Согласно формуле (34) высота капиллярного поднятия должна неограниченно
возрастать при уменьшении радиуса капилляра. На практике происходит иначе. Толщина слоя пленочной воды на стенках капил48
ляра составляет приблизительно 0,5 мкм. Этот твердообразный
слой «закупоривает» мелкие капилляры, и при радиусе капилляров менее 0,5 мкм капиллярное поднятие воды в них прекращается (рис. 33).
h
≈ 10
r
0,5
≈2
50
Рис. 33. Изменение фактической высоты капиллярного поднятия h, м, в материалах с различными радиусами капилляров r, мкм
6.7. Пенообразование
Пена – дисперсная система, состоящая из пузырьков газа
(дисперсная фаза), разделенных жидкой фазой (дисперсионная
среда). Внешний вид пены представлен на рис. 34. Образование
пены усиливается в присутствии ПАВ (например, мыла). Технологическая схема получения пены представлена на рис. 35.
Рис. 34. Внешний вид пены
49
Горячий битум 160–180°
H2O
Расширительная камера
Форсунка
Вспененный битум
Рис. 35. Принципиальная технологическая схема получения битумной пены
В дорожном строительстве используют битумные пены:
• для приготовления асфальтобетона (А/Б);
• подгрунтовки основания при укладке А/Б;
• укрепления грунтов;
• устройства шероховатой поверхностной обработки.
Пены характеризуются следующими основными показателями:
Кратностью – отношением объема пены к объему исходной
жидкости. Битумные пены должны иметь кратность от 5 до 10.
Дисперсностью – преобладающим диаметром пузырьков.
Оптимально – от 5 до 10 мм.
Стабильностью – временем до разрушения (полностью или
частично). Для целей дорожного строительства стабильность (до
полного разрушения) должна составлять от нескольких секунд до
нескольких минут.
6.8. Эмульгирование
Эмульсия – дисперсная система с жидкой дисперсной фазой
и жидкой дисперсионной средой. Эмульсии состоят из несмешиваемых жидкостей. Процесс эмульгирования усиливается в при50
сутствии ПАВ-эмульгаторов. На практике обычно используют
эмульсии, состоящие из воды и органической жидкости (например, масла).
Эмульсии, в которых органическая часть находится в виде
мелких капель (дисперсная фаза), а непрерывной внешней средой (дисперсионной средой) является вода, называются прямыми эмульсиями (рис. 36).
Эмульсии, в которых вода находится в виде мелких капель
(дисперсная фаза), а непрерывной внешней средой (дисперсионной средой) является органическая часть, называются обратными эмульсиями (рис. 37).
Эмульсии, используемые в дорожном строительстве, получают механическим путем. Они имеют размер капель более 10–7 м
(до 10–4 м) и относятся к грубодисперсным системам. При увеличении размера капель усиливается их склонность к слипанию и
распаду эмульсии.
Гидрофильная «головка»
молекулы ПАВ
Липофильный (гидрофобный)
«хвост» молекулы ПАВ
Рис. 36. Прямая эмульсия
Рис. 37. Обратная эмульсия
51
Свойства эмульсии зависят от концентрации дисперсной фазы.
При концентрации дисперсной фазы до 74 % (по объему) эмульсии имеют низкую вязкость и ведут себя как жидкости, что делает
удобным и технологичным их применение в строительстве.
При концентрации более 74 % (концентрированная эмульсия)
вязкость эмульсий резко возрастает, они становятся не удобными
для применения в строительстве.
Показателями свойств эмульсий являются:
• концентрация;
• вязкость;
• однородность (ограничивается содержание крупных частиц
дисперсной фазы);
• устойчивость (срок, в течение которого эмульсия сохраняет
свои свойства).
Области применения эмульсий (битумных) в дорожном строительстве:
• приготовление эмульсионно-минеральных смесей (по типу
А/Б);
• подгрунтовка основания при укладке А/Б;
• укрепление грунтов;
• устройство шероховатой поверхностной обработки.
52
7. Влияние зернового состава
композиционных материалов
на их структуру и прочность
Прочность R композиционных строительных материалов (цементобетон, асфальтобетон и т. п.) зависит не только от прочности вяжущего и заполнителя, но и от плотности материала:
ρ 3
(35)
R = R0 о ,
ρ
где ρ – плотность материала; ρо – объемная масса материала; R0 –
прочность абсолютно плотного материала.
Степень плотности материала зависит от плотности упаковки его частиц. Наименее плотной из упаковок, в которых частицы контактируют между собой, является кубическая упаковка.
Это система рыхлой упаковки шарообразных частиц, в которой
каждая частица соприкасается с шестью соседними частицами
(рис. 38). Пористость системы из одинаковых по размеру частиц
составляет 47,6 %.
()
Рис. 38. Кубическая упаковка частиц
53
Гексагональная система – наиболее плотная упаковка одинаковых по размерам шарообразных частиц, в которой каждая
частица соприкасается с двенадцатью другими (рис. 39). Пористость такой системы равна 25,95 %.
Возможны промежуточные между гексагональной и кубической системы упаковки частиц. При простом насыпании материала (песок, щебень) в форму пустотность составляет приблизительно 45 %, т. е. упаковка частиц близка к кубической. При
уплотнении давлением без раздавливания частиц (лабораторный
пресс, дорожный каток) пустотность составляет приблизительно
40 %. При вибрировании с пригрузом (виброплощадка, виброкаток) пустотность уменьшается до 30 %, что близко к гексагональной упаковке.
Рис. 39. Гексагональная упаковка частиц
Уменьшение пустотности ведет к увеличению числа контактов между частицами заполнителя, что повышает прочность композиционного материала и сокращает расход вяжущего, так как
часть вяжущего расходуется не на образование структурных связей в местах контактов частиц заполнителя, а просто на заполнение пустот между ними.
Наряду с механическим уплотнением повысить плотность материала можно путем заполнения пустот между крупными частицами более мелкими частицами (рис. 40). При этом (теоретически) пустотность можно уменьшить до 15 %.
54
Рис. 40. Заполнение пустот между крупными частицами более мелкими
частицами
Влияние числа фракций в смеси и размера частиц на пустотность смеси может быть проиллюстрировано данными, приведенными в табл. 5.
Таблица 5
Количество фракций в смеси
и соотношение размеров частиц
Показатель
1
2
3
4
Радиус
частиц
во фракциях
R
R
0,4 R
R
0,4 R
0,23 R
R
0,4 R
0,23 R
0,18 R
Пустотность, %
26
21
19
16
5
R
0,4 R
0,23 R
0,18 R
0,12 R
15
Для получения наибольшей плотности упаковки многофракционных смесей непрерывного зернового состава можно использовать уравнение Андерсена:
_d
Р = 100 3√ D ,
(36)
где Р – содержание, %, частиц мельче размера d; D – наибольшая
крупность частиц в смеси.
Для получения плотных прерывистых двухфракционных составов из фракции с крупностью d и фракции с крупностью D рекомендуется принимать: D/d = 5–10; отношение объемов крупной
и мелкой фракций – 2:1.
55
Примеры кривых для непрерывных и прерывистых гранулометрических составов представлены на рис. 41. На графике по горизонтальной оси отложены размеры частиц (d, мм), содержащихся
в материале, по вертикальной оси – содержание (Р, %) в материале частиц мельче размера d. При этом в материале с непрерывным
зерновым составом содержатся частицы всех размеров от 0 мм до
D, а в материале с прерывистым зерновым составом отсутствуют
частицы с размерами от d1 до d2.
Непрерывный зерновой
состав
P,%
100
Прерывистый
зерновой состав
35
d, мм
d1
d2
D
Рис. 41. Кривые гранулометрического состава
56
8. Противогололедные материалы
Противогололедные материалы (ПГМ) при контакте со льдом,
снегом и влагой воздуха растворяются с выделением тепла и начинают плавить лед. Гранулы (или капли) ПГМ быстро проникают
в толщу льда или снега до покрытия. Образующийся раствор разрыхляет снежно-ледяные отложения и нарушает сцепление льда с
покрытием, что облегчает последующую уборку льда и снега.
Наиболее часто применяемые ПГМ:
• хлористый натрий (NaCl);
• хлористый кальций (CaCl2);
• хлористый магний (MgCl2).
Эффективность различных ПГМ при зимних температурах иллюстрируют данные табл. 6.
Таблица 6
Концентрация раствора, %
Температура замерзания раствора, °С
NaCl
CaCl2
10
–7
–6
20
– 17
– 18
30
–
– 50
Однако при выборе ПГМ следует учитывать не только его
способность плавить лед при отрицательных температурах, но и
такой фактор, как вязкость раствора образуемого этим ПГМ на
поверхности дорожного покрытия. Дело в том, что с повышением
вязкости раствора ухудшается удаление пленки жидкости из-под
колеса движущегося автомобиля. При достаточно высокой скорости автомобиля вязкая жидкость не успевает отжиматься изпод колеса автомобиля. Между колесом и дорожным покрытием
остается слой жидкости, препятствующий надежному сцеплению
57
колеса с покрытием, т. е. возникает «аквапланирование» колеса,
что в свою очередь способствует повышению риска дорожнотранспортного происшествия (рис. 42).
Движение на высокой скорости
Движение на низкой скорости
Рис. 42. Явление «аквапланирования», обусловленное наличием прослойки
жидкости между колесом автомобиля и поверхностью дорожного покрытия
В табл. 7 приведены справочные данные об относительной
вязкости растворов различных ПГМ.
Таблица 7
Жидкость (концентрация раствора)
Относительная (по отношению к воде при 20 °С)
вязкость растворов ПГМ при различных
температурах, °С
+20
0
–10
1
1,8
–
Раствор NaCl (15 %)
1,3
2,4
–
Раствор CaCl2 (15 %)
1,5
2,6
4,1
Раствор MgCl2 (15 %)
2
3,8
5,4
Вода
58
9. Основные свойства строительных
материалов
Основные свойства дорожно-строительных материалов делятся на несколько групп:
• физические свойства;
• теплофизические свойства;
• механические свойства;
• гидрофизические свойства;
• химические свойства и т. д.
9.1. Физические свойства
Плотность ρ (кг/м3) – масса единицы объема абсолютно
плотного вещества:
m
ρ = ––– ,
(37)
V
где m – масса образца сухого материала (образец высушен при
температуре 100–105 °С); V – объем, который занимает образец
материала без пор и пустот.
Объем определяется путем вытеснения жидкости из пикнометра при засыпании в него тонкоизмельченного порошка, полученного из образца материала.
Справочные данные о плотности некоторых материалов:
• сталь – 7850 кг/м3;
• гранит – 2650 кг/м3;
• битум – 1000 кг/м3;
• вода – 1000 кг/м3.
Большинство строительных материалов не является абсолютно плотными (исключение – сталь, стекло, битум, вода).
Объемная масса ρo (кг/м3) – масса единицы объема материала
в естественном состоянии (с пустотами, заполненными воздухом
и водой).
59
Объем образца правильной формы устанавливается путем
измерения его размеров, объем образца неправильной формы –
путем вытеснения жидкости из мерного сосуда. Предварительно
образец покрывают тонкой пленкой парафина или полностью насыщают жидкостью.
Для рыхлых материалов (песок, щебень) вместо объемной
массы определяют насыпную объемную массу ρн. Величина такой массы вычисляется по формуле (38).
m1
ρо = ––––
,
(38)
V1
где m1 – масса образца материала в естественном состоянии (вместе с водой в порах); V1 – объем образца материала в естественном состоянии (вместе с порами).
Объем V1 насыпаемого материала определяют с помощью
мерного сосуда. Насыпают материал с определенной высоты для
создания стандартных условий самоуплотнения материала при
падении частиц.
Поскольку содержание воды в материале может быть разным,
то и объемная (насыпная) масса одного и того же материала может изменяться в зависимости от его влажности.
У большинства строительных материалов объемная (насыпная) масса меньше плотности. Например, для некоторых материалов в сухом состоянии плотность и объемная (насыпная) масса
следующие:
песок ρ = 2600 кг/м3 ρн = 1500 кг/м3 ;
щебень ρ = 2650 кг/м3 ρн = 1600 кг/м3 ;
цементный бетон ρ = 2500 кг/м3 ρо = 2400 кг/м3 ;
цемент ρ = 3100 кг/м3 ρн = 1100 кг/м3 .
Это различие обусловлено пористостью П (%) строительных
материалов (для рыхлых материалов – межзерновой пустотностью Пмз (%). Пористость (межзерновая пустотность) – это
степень заполнения объема материала порами (пустотами между
зернами).
ρо
П = (1 – ––––
(39)
ρ ),
ρн
Пмз = (1 – ––––
(40)
ρ ).
Различают пористость открытую и закрытую. Если поры внутри материала соединены между собой каналами и эти каналы
60
открываются на поверхность материала (открытая пористость),
то в них легко может проникать вода. Причем чем крупнее поры,
тем легче воде проникнуть в материал.
Открытая пористость По (%) выражает ту долю полного
объема материала, которая при водонасыщении заполняется водой. Схема открытой поры показана на рис. 43.
Макропоры ( > 50 нм)
Мезопоры ( 2–50 нм)
Микропоры ( < 2 нм)
Рис. 43. Схема открытой поры
Открытая пористость определяется после водонасыщения образца материала по формуле
100 (m2 – m1)
По = ––––––––––––
,
(41)
V ρв
где m1 и m2 – масса сухого и водонасыщенного образца соответственно; V – объем образца (вместе с порами); ρв – плотность
воды (1000 кг/м3 или 1 г/см3).
Если поры замкнуты (закрыты) и не соединяются друг с другом и поверхностью материала, то в них вода не проникает. Фотография материала (пенобетон) с закрытыми порами представлена
на рис. 44.
Рис. 44. Материал с закрытыми порами
61
Закрытая пористость Пз (%) – это та доля объема материала
(входящая в объем пор), которая недоступна для проникновения
воды. Вычисляется закрытая пористость по формуле
Пз = П – По.
(42)
9.2. Теплофизические свойства
Теплопроводность – свойство материала передавать тепло от
одной поверхности к другой. Характеристикой теплопроводности
служит коэффициент теплопроводности λ ( Вт/м · К). Коэффициент λ учитывается в теплотехнических расчетах дорожных
одежд при проверке дорожной конструкции на морозоустойчивость. Значения λ некоторых материалов приведены в табл. 8.
Таблица 8
Объемная масса ρ0 (кг/м3)
λ (Вт/м · К)
1,2
0,02
Вода
1000
0,5
Лед
900
2,0
Битум
1050
0,55
Гранит
2650
3,5
Сталь
7850
60,0
Материал
Воздух
Теплопроводность материалов возрастает:
• при увеличении объемной плотности (т. е. при уменьшении
пористости и содержания воздуха в материале);
• увеличении влажности (воздух в материале замещается более теплопроводной водой);
• замораживании водонасыщенного материала.
Для камнеподобных материалов (камень, бетон) коэффициент
теплопроводности можно приближенно определить по формуле
Некрасова:
ρо 2
λ = 0,5 0,1 + –––
– 0,2 .
(43)
ρв
(
√
( )
62
)
Теплоемкость – свойство материала поглощать при нагревании тепло. Характеристикой теплоемкости служит удельная теплоемкость С (кДж/кг · К). Значения С некоторых материалов
приведены в табл. 9.
Таблица 9
С, (кДж/кг · К)
Материал
Воздух
1,0
Вода
4,2
Лед
2,1
Битум
1,5
Гранит
0,8
Сталь
0,5
С повышением влажности теплоемкость материала повышается.
Теплота фазовых переходов – количество теплоты, которое
необходимо сообщить веществу (или отвести от него) при равновесном изобарно-изотермном переходе вещества из одной фазы в
другую (кипении, плавлении, кристаллизации). Значения удельной теплоты фазовых переходов некоторых материалов приведены в табл. 10.
Таблица 10
Материал
Вода
Фазовый переход
Удельная теплота фазового
перехода, кДж/кг
Кристаллизация
330
Вода
Испарение
2300
Битум
Плавление
130
Теплота фазового перехода (в виде скрытой теплоты льдообразования) оказывает существенное влияние на промерзание
водонасыщенных материалов в слоях дорожной конструкции,
прежде всего грунтов. При их высокой влажности промерзание
дорожной конструкции замедляется (рис. 45) за счет тепла, выделяющегося при переходе воды в лед, что следует учитывать при
оценке морозоустойчивости дорожной одежды.
63
Абсолютная температура, K
500
°С
400
Скрытая теплота испарения
100
Скрытая теплота
плавления
(льдообразования)
300
0
200
100
272
79,7 100
100 200 300 400 500
0
539,4
600 700 800 900 1000
Калории (тепловая энергия)
Рис. 45. Замедление промерзания дорожной конструкции в результате
выделения скрытой теплоты льдообразования
Температуропроводность – характеристика скорости изменения (выравнивания) температуры в материале при нестационарных тепловых процессах, мера теплоинерционных свойств
материала.
Коэффициент температуропроводности а , м2/с:
λ
a = ––– .
(44)
C
Чем выше коэффициент температуропроводности, тем быстрее изменяется температура материала при нагревании или
охлаждении. Значения коэффициента температуропроводности
некоторых материалов приведены в табл. 11. Для удобства сопоставления в таблице приведены также соответствующие значения
λ и С.
Таблица 11
С, кДж/кг · К
а = λ/С, м2/с
0,02
1,0
0,02
0,5
4,2
0,12
Лед
2,0
2,1
0,95
Материал
λ, Вт/м · К
Воздух
Вода
Битум
0,55
1,5
0,37
Гранит
3,5
0,8
4,4
Сталь
60,0
0,5
120,0
64
Температура, °С
Теплоусвоение – способность материала поглощать тепло в
контакте с другими материалами при периодических колебаниях
теплового потока. Периодическое изменение температуры и соответственно теплового потока в суточном и годовом цикле характерны для эксплуатации дорожных конструкций (рис. 46).
6
4
2
0
8
6
4
2
0
Дни месяца
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29
Рис. 46. Колебание температуры воздуха относительно средних значений
Коэффициент теплоусвоения S (Вт/м2 · К) вычисляется по
формуле
2 π λ C ρo
S = ––––––––––
.
(45)
√
T
Материалы с большим теплоусвоением лучше поглощают тепло (рис. 47).
Тепловой поток Q1
Отраженный
тепловой поток
Q2
Q2 < Q1
Тепловой поток Q1
Q3 = Q1
Прошедший
тепловой поток Q2
Прошедший
тепловой поток Q3
S1 < S3
S1 > S2
Рис. 47. Влияние теплоусвоения на прохождение теплового потока через
слоистую дорожную конструкцию
65
Значения коэффициента теплоусвоения некоторых материалов
(в зависимости от периода колебаний температуры и теплового
потока Т) приведены в табл. 12. Для удобства сопоставления, в
таблице приведены также соответствующие значения λ, С и ρo.
Таблица 12
λ, Вт/м · К
С, кДж/кг · К
ρо, кг/м3
Воздух
0,02
1
1,2
Вода
0,5
4,2
1000
45,8 ·
√T
Лед
2
2,1
900
61,5 ·
√T
Битум
0,55
1,5
1050
29,4 ·
√T
Гранит
3,5
0,8
2650
86,1 · √ 2π
T
Сталь
60
0,5
7850
483,5 · √ 2π
T
Материал
S, Вт/м2 · К
2π
0,155 · √ T
2π
2π
2π
Температурные деформации материалов. Практически все
вещества и материалы при нагревании увеличивают свой объем и
линейные размеры, а при охлаждении – уменьшают. Для линейных температурных деформаций эта зависимость имеет вид
Lτ = L0 (1 + α · ∆t),
(46)
где Lτ и L0 – длина тела при текущей температуре t и начальной
температуре t0. ∆t = t – t0 · α – коэффициент линейного теплового
расширения [K–1].
Значения коэффициентов линейного теплового расширения
некоторых материалов (с указанием температуры, при которой
определен коэффициент) приведены в табл. 13.
Для объемных температурных деформаций
VT = V0 (1 + β · ∆t) ,
(47)
где VT и V0 – объем тела при текущей температуре t и начальной
температуре t0; ∆t = t – t0; β – коэффициент объемного теплового
расширения [К-1].
Для изотропных материалов β ≈ 3 · α.
66
Таблица 13
Температура, °С
α, K–1
Лед
От – 20 до 0
51 · 10-6
Асфальтобетон
От 0 до + 20
20 · 10-6
Гранит
+ 20
8 · 10-6
Бетон
+ 20
10 · 10-6
Сталь
+ 20
11 · 10-6
Сосна вдоль волокон
+ 20
5,5 · 10-6
Сосна поперек волокон
+ 20
35 · 10-6
Материал
Значительные температурные деформации строительных конструкций могут их разрушать, поэтому в массивных или длинных
строительных конструкциях (опоры мостов, пролетные строения
мостов, дорожное покрытие из бетона) устраивают температурные деформационные швы.
Значения коэффициентов объемного теплового расширения
некоторых материалов (с указанием температуры, при которой
определен коэффициент) приведены в табл. 14.
Таблица 14
Материал
Вода
Водный раствор соли
NaCl (6 %)
Керосин
Битум
Температура, °С
β, К–1
+20
200 · 10-6
+20
300 · 10-6
+20
12600 · 10-6
От 0 до +20
200 · 10-6
9.3. Механические свойства
Деформативность – свойство материала изменять свои размеры и форму под действием нагрузки.
Виды деформации:
––упругая (обратимая) деформация полностью исчезающая после снятия нагрузки;
––пластическая (остаточная) деформация не исчезающая после снятия нагрузки.
67
Для дорожно-строительных материалов характерны следующие формы деформации: сжатие, растяжение при изгибе и сдвиг
(рис. 48–50).
P
Рис. 48. Деформация сжатия
→
F упр
x
→
mg
→
P
Рис. 49. Деформация растяжения при изгибе
а)
P
б)
x
P
F
F
P
P
Рис. 50. Деформация: а – растяжения; б – сдвига
Формы механического разрушения:
Хрупкое разрушение – разрушение, которое сопровождается
малой предшествующей пластической деформацией. Разрушение
наступает без заметного изменения формы, внезапно. Хрупкое
разрушение характерно для кристаллических веществ и дисперсных материалов, имеющих конденсационную или кристаллизационную структуру (каменные материалы, бетоны);
68
Пластическое разрушение – разрушение, которое сопровождается заметным предшествующим изменением формы и большой пластической деформацией (рис. 51). Пластическое разрушение характерно для аморфных веществ и дисперсных материалов
с коагуляционной структурой (битум, асфальтобетон).
Прочность – свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними воздействиями (механическими нагрузками, температурными
деформациями и т. д.).
Прочность оценивают пределом прочности R. Предел прочности измеряется в МПа. 1 МПа ≈ 10 кг/см2.
Из курса сопротивления материалов известно, что предел
прочности при сжатии Rсж
Pразр
Rсж = –––––– ,
(48)
F
Нагрузка P, Н (кгс)
где Рразр – разрушающая нагрузка при сжатии; F – первоначальная площадь поперечного сечения образца, воспринимающая
сжатие.
B
D
0
Pк
Pт
Pупр
Pmax
C
∆lост
∆lупр
∆lполн
Удлинение, мм
Рис. 51. Диаграмма растяжения образца: B, C, D – характерные точки диаграммы
69
Соответственно в общем виде предел прочности на растяжение при изгибе R р.и равен
M
(49)
Rр.и = –––– ,
W
где Мразр – разрушающий изгибающий момент; W – момент сопротивления сечения.
Предел прочности при сдвиге (срезе) Т (МПа)
Pразр
T = –––––– ,
(50)
F
где Рразр – разрушающая нагрузка при сдвиге; F – первоначальная
площадь поперечного сечения образца, воспринимающая сдвиг.
Прочность строительных материалов при сжатии может составлять от 1 МПа (асфальтобетон при температуре + 50 °С) до
1000 МПа (гранит, цементный бетон). Для одного и того же материала прочность на растяжение намного (иногда в 10 раз)
ниже прочности при сжатии.
На результат измерения прочности сильно влияют такие факторы:
• размер образца;
• скорость нагружения или деформирования образца;
• температура образца.
Усталость материала – процесс постепенного накопления
повреждений в материале под действием переменных напряжений, приводящий к изменению его свойств, образованию трещин,
их развитию и разрушению материала, поэтому к материалам
применяются понятия усталостная прочность (прочность при
заданном числе циклов нагружения) и усталостная долговечность или выносливость (число циклов нагружения до разрушения или до достижения установленной прочности).
Для оценки усталостной прочности и выносливости служит
Диаграмма Веллера (рис. 52). Характеристики цикла нагружения
образца материала при испытаниях на усталость представлены
там же.
Твердость – свойство материала сопротивляться вдавливанию в него более твердого тела. Твердость каменных материалов
определяется по шкале твердости Мооса, которая состоит из 10
минералов. На каждом из них все последующие в шкале минералы могут оставлять черту. Твердость металла или цементного
70
Напряжение
σ1
σ2
σ3
σ4
σ5
σmax
Максимальное напряжение
Мини- Размах напряжений
мальное
напряжение
2σa
σmin
Среднее
напряжение
σn
б)
Амплитуда
Циклы напряжений
σa
а)
Время
1
2
3
4
N1 N2 N3 N4
5
N5
6
Число циклов напряжений
Рис. 52. Оценка усталости материала: а – характеристики цикла усталостных
испытаний; б – диаграмма Веллера
бетона определяется путем вдавливания стального шарика, твердость битума – путем вдавливания стальной иглы. Более твердые
материалы имеют и более высокую прочность.
Истираемость – способность материала уменьшаться в массе и объеме при истирании. Истираемость определяется на специальных испытательных машинах – кругах истирания. Истираемость вычисляется по формуле
(m2 – m1)
И = ––––––––– ,
(51)
F
где m1 и m2 – масса образца до и после истирания; F – площадь
истирания.
Истираемость выше у материалов с невысокой прочностью и
шероховатой поверхностью.
71
Износ – свойство материала сопротивляться одновременному
воздействию истирания и удара. Он определяется в специальных
ополочных барабанах. Вычисляется износ по формуле (%)
100 (m2 – m1)
Из. = –––––––––––– ,
(52)
m1
где m1 и m2 – масса образца до и после испытания.
У более прочных материалов износ меньше.
9.4. Гидрофизические свойства
Гигроскопичность – свойство материала поглощать водяной
пар из влажного воздуха. Гигроскопичность выше у более пористых материалов с сильно развитой поверхностью стенок пор. На
этой поверхности и конденсируется водяной пар.
Гидрофильность – свойство материала смачиваться водой.
Гидрофобность – свойство материала не смачиваться водой.
Капиллярное всасывание – свойство материала впитывать в
себя воду.
Водопоглощение – способность материала впитывать и удерживать в своих порах воду при атмосферном давлении.
Водопоглощение по массе, %,
100 (m2 – m1)
W = –––––––––––– ,
(53)
m1
где m1 – масса сухого образца; m2 – масса образца после водонасыщения.
Водопоглощение по объему, %,
100 (m2 – m1)
Wо = –––––––––––– ,
(54)
ρв V1
где ρв – плотность воды; V1 – объем сухого образца.
Коэффициент заполнения открытых пор водой
Wо
Кзп = ––– .
по
(55)
За величину водонасыщения принимают количество воды,
поглощенное образцом в вакууме и выраженное в процентах от
его первоначального объема или массы. Водонасыщение близко к
72
полному заполнению пор водой, и потому может характеризовать
пористость материала.
Практически все материалы при водонасыщении уменьшают
свою прочность. Для количественной оценки влияния воды на
прочность материалов используют коэффициент размягчения
(коэффициент водостойкости)
Rв
Кр = –––– ,
(56)
Rс
где Rв и Rс – прочность материала в водонасыщенном и сухом
состоянии.
Паропроницаемость – это свойство материала пропускать
водяной пар под давлением.
Водопроницаемость – это свойство материала пропускать
воду под давлением. Водопроницаемость характеризуется коэффициентом фильтрации Кф (м/сут). Коэффициент фильтрации
– это количество воды, (м³), проходящей через стенку площадью
F = 1 м² и толщиной В = 1 м за время t = 1 сут. при заданной разности гидростатического давления на границах стенки ∆Р = Р1 – Р2
(например, 1 м водяного столба).
Водонепроницаемость материала характеризуется маркой
по водонепроницаемости, например W2 или W12. Число в марке
обозначает одностороннее гидростатическое давление, кгс/см²,
при котором образец материала не пропускает воду в условиях
стандартного испытания. Чем ниже Кф, тем выше марка по водонепроницаемости.
Практически все материалы в той или иной мере изменяют
свои размеры и объем при изменении влажности (т. е. при увлажнении или высыхании). Такие деформации называются влажностными деформациями.
Виды влажностных деформаций:
набухание – увеличение размеров материала при насыщении
его водой (в результате увеличения толщины водных пленок внутри материала);
усушка – уменьшение размеров материала при его высушивании (в результате уменьшения толщины пленок воды внутри
материала);
морозостойкость – свойство насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание (не
следует путать с морозоустойчивостью). При этом критерием мо73
розостойкости для различных материалов может быть сохранение либо прочности, либо массы образца. Маркой материала по
морозостойкости называется количество циклов замораживания–
оттаивания, которое выдерживает образец материала. Чем хуже
материал поглощает воду, тем он обычно более морозостоек.
Замораживание водонасыщенного материала – достаточно
сложное явление, объединяющее несколько процессов. Прежде
всего образующийся в порах материала и местах контактов частиц лед упрочняет структуру материала. Это наглядно видно при
смерзании влажного песка, который благодаря цементирующему
действию льда превращается в монолитный материал. Однако это
упрочнение не велико – прочность льда (Rсж ≈ Rр) составляет приблизительно 0,4 МПа.
Лед, образовавшийся внутри материала при 0 °С, прочно смерзается со скелетом материала. При дальнейшем понижении температуры на величину ∆t гетерогенная система «лед – материал»
начинает деформироваться (сжиматься) совместно. Значение коэффициента α у льда выше, чем у большинства строительных материалов, поэтому он стремится сжаться в большей степени, чем
скелет материала. Это вызывает в скелете материала сжимающие
напряжения
σ = Еск (αл – αск) ∆t ,
(57)
где Еск – модуль деформации скелета; αл и αск – коэффициенты
линейного теплового расширения льда и скелета.
Эти напряжения (например, в цементогрунте) при температуре –20 °С могут достигать 1,0 МПа (рис. 53).
σ, МПа
0,8
0,5
Т, °С
0
– 10
– 20
Рис. 53. Рост сжимающих напряжений в скелете укрепленного грунта
в результате его совместного температурного деформирования со льдом
74
При средней прочности цементогрунта 2,5 МПа эти напряжения не должны приводить к разрушению структуры материала.
Однако при циклическом воздействии (при многократном замораживании – оттаивании в течение зимы) даже такие сравнительно небольшие напряжения могут способствовать постепенному
разрушению материала.
В гетерогенных дисперсных монолитных материалах (цементобетон, асфальтобетон) разные фазы имеют разные коэффициенты температурной деформации. При совместном температурном
деформировании в этих фазах из-за различия в коэффициентах
температурной деформации также возникают напряжения. Например, в пленке битума на поверхности зерен песка и щебня (в
асфальтобетоне) возникают касательные σφ и радиальные σr напряжения (рис. 54).
Величина этих напряжений при температуре – 20°С может
достигать 100 МПа. Эти напряжения соизмеримы с прочностью
асфальтобетона при соответствующих отрицательных температурах. При многократном понижении – повышении температуры
в течение зимы эти напряжения могут приводить к разрушению
асфальтобетона. Следовательно, даже сухие композиционные маМПа 100
r1
r0
80
σφ
60
40
20
0
25
15
5
1
2
σ φ = σr
0
–5
–15
–20
2
–40
σr
–60
–80
t, °C
r0
r1
1
–100
–120
Рис. 54. Тангенциальные (растягивающие σφ) и радиальные (сжимающие σr ) напряжения, возникающие в пленках битума при охлаждении различных асфальтобетонов: 1, 2 – различные виды бетонов
75
териалы подвержены постепенному морозному разрушению в
результате действия внутренних напряжений, вызванных температурными деформациями их компонентов.
Однако самым сильнодействующим фактором, приводящим к
быстрому разрушению водонасыщенных материалов при замораживании, является увеличение объема воды (на 9,2 %) при переходе ее в лед. В случае полного заполнения пор материала водой
и полного перехода этой жидкой воды в лед в стенках пор материала развиваются огромные усилия. Так, в скелете уже рассмотренного ранее цементогрунта (имеющего прочность 2,5 МПа)
при температуре – 20 °С могут развиваться напряжения до 50,0
МПа (рис. 55).
σr , МПа
50
40
30
20
10
Т, °С
0
10
20
30
Рис. 55. Напряжения в скелете водонасыщенного укрепленного грунта
при его замораживании
Это многократно превышает прочность материала и приводит
к его быстрому разрушению даже при однократном замораживании в водонасыщенном состоянии.
9.5. Химические свойства
Адгезия – свойство одного материала прилипать к поверхности другого. Оценивается прочностью сцепления при отрыве.
Когезия – внутреннее сцепление материала. Оценивается
прочностью материала на разрыв.
Выделение тепла в процессе твердения минеральных вя76
жущих веществ – свойство, которое следует учитывать в ходе
производства строительных работ с применением минеральных
вяжущих. При бетонировании зимой выделение тепла улучшает
условия твердения цементного бетона в ходе производства, но
при бетонировании массивных сооружений (например, опор мостов) выделение тепла может приводить к нежелательным температурным деформациям.
Старение – изменение химического состава материала в результате длительных физико-химических процессов, приводящее
к ухудшению свойств материала.
Горючесть. Горение – это быстропротекающая реакция окисления, сопровождающаяся выделением тепла и света. По степени
горючести материалы делятся:
• несгораемые материалы – материалы, которые под действием огня или высоких температур не воспламеняются, не тлеют и
не обугливаются, но могут сильно деформироваться;
• трудносгораемые материалы – материалы, которые под
действием огня тлеют и обугливаются, но после удаления источника огня эти процессы прекращаются;
• сгораемые материалы – материалы, которые под действием
огня воспламеняются или тлеют и продолжают гореть или тлеть
и после удаления источника огня.
Токсичность – величина, обратная средней смертельной дозе
токсичного вещества. Токсин – вещество, приводящее в определенных дозах к возникновению отравления (интоксикации) или
каких-либо заболеваний.
Коррозией называют самопроизвольное разрушение материалов вследствие их взаимодействия с окружающей средой. Коррозия является физико-химическим процессом. Коррозионная
стойкость – способность материалов сопротивляться коррозии.
77
Список литературы
1. Платонов А. П. Основы материаловедения в дорожном и аэродромном строительстве: учеб. пособие. Ч. 1 / А. П. Платонов. – Л: ЛИСИ, 1991. – 204 с.
2. Платонов А. П. Основы материаловедения в дорожном и аэродромном строительстве: учеб. пособие. Ч. 2 / А. П. Платонов. – Л: ЛИСИ, 1991. – 176 с.
3. Ратинов В. Б. Химия в строительстве / В. Б. Рыбнов, Ф. М. Иванов. – М.:
Стройиздат, 1969. – 200 с.
4. Безрук В. М. Укрепленные грунты (свойства и применение в дорожном строительстве) / В. М. Безрук [и др.] – М.: Транспорт, 1982. – 231 с.
5. Митропольский А. К. Техника статистических вычислений / А. К. Метропольский. – М.: Наука, 1971. – 576 с.
6. Печеный Б. Г. Битумы и битумные композиции / Б. Г. Печеный. – М.: Химия,
1990. – 256 с.
7. Глинка Н. Л. Общая химия / Н. Л. Глинка. – Л.: Химия, 1985. – 702 с.
8. Беляев Н. М. Сопротивление материалов / Н. М. Беляев. – М.: ГИТТЛ, 1954. –
856 с.
78
79
Учебное издание
Беляев Николай Николаевич
Теоретические основы
Дорожного материаловедения
Учебное пособие
Редактор А. В. Афанасьева
Корректор А. Г. Лавров
Компьютерная верстка Н. И. Печуконис
Подписано к печати 22.12.2010. Формат 60×84 1/16. Бум. офсетная.
Усл. печ. л. 5,3. Тираж 150 экз. Заказ 141. «С» 115.
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет.
190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 4.
Отпечатано на ризографе.
190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул, 5.
80
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
3 181 Кб
Теги
teoreticheskaya, beljaev, osn
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа