Свойства строительных материалов. Структурные характеристики и физические свойства материалов

Плотность материалов: истинная, средняя, насыпная, относительная. Методики определения плотности. Зависимость свойств материалов от их плотности.

Физическое состояние строительных материалов достаточно полно характеризуется средней и истинной плотностью, а также пористостью.

Средняя плотность ρ 0 (г/см 3 , кг/м 3) – масса единицы объема материала в естественном состоянии.

Среднюю плотность вычисляют путем деления массы образца m , г (кг), на его геометрический объем V, см 3 (м 3)

При изменении температуры и влажности среды, окружающей материал, меняется его влажность, а следовательно, и средняя плотность. Поэтому показатель средней плотности определяют после предварительной сушки материала до постоянной массы или вычисляют по формуле:

где ρ w и ρ 0 средняя плотность влажного и сухого материала; W – количество воды в материале (доля от его массы).

Метод определения средней плотности зависит от формы образца материала.

Насыпной плотностью называется отношение массы материала в свободном рыхло насыпанном состоянии к его объему.

Определение насыпной плотности сыпучих материалов производят засыпкой их в предварительно взвешенный мерный цилиндр с высоты 10 см через воронку или без нее. Объем материала определяют по объему цилиндра. Воронка обеспечивает равномерное заполнение мерного цилиндра материалом. Образовавшуюся (без уплотнения) над краями цилиндра горку материала срезают ножом или линейкой. После этого цилиндр с материалом взвешивают. Насыпную плотность материала рассчитывают по формуле:

где - масса пустого мерного цилиндра; - масса цилиндра, заполненного испытываемым материалом; V – объем мерного цилиндра.

Истинной плотностью ρ (г/см 3 , кг/м 3) называют массу единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии без учета имеющихся в нем пор.

Для определения абсолютного объема образцы измельчают в порошок до полного прохождения через сито с размером отверстий 0,2 мм. (Считается, что каждое отдельное зерно такого размера не содержит внутренних пор.)

Истинную плотность определяют в приборе Ле-Шателье – Кандло. Прибор представляет собой стеклянную колбу с узкой трубкой, имеющей шарообразное уширение в средней части. На трубке ниже уровня уширения имеется черта; верхняя часть трубки градуирована делениями и заканчивается воронкой.

Объем трубки между нижней чертой и нижним делением градуированной части равен 20 см 3 . Прибор заполняют дистиллированной водой до уровня нижней черты, уровень устанавливают по нижнему мениску, затем взвешивают сухой измельченный образец массой m 1 , г. Порошок всыпают в прибор до тех пор, пока уровень воды в приборе не поднимется до нижнего деления градуированной части. Тогда абсолютный объем порошка, засыпанного в прибор, равен объему вытесненной воды – 20 см 3 . Остаток порошка взвешивают и подсчитывают массу порошка, всыпанного в прибор, по формуле:

Истинную плотность вычисляют по формуле:

Часто плотность материалов относят к плотности воды при температуре равной 4 0 C, равной 1 г/см 3 , и тогда определяемая плотность становится безразмерной величиной, которую называют относительной плотностью d.

Большинство строительных материалов имеет поры, поэтому истинная плотность у них всегда больше средней. Лишь у плотных материалов (сталь, стекло) истинная и средняя плотность практически равны, так как объем внутренних пор у этих материалов ничтожно мал.

Пористость материалов. Определение пористости. Влияние пористости на свойства материалов.

Пористостью называют степень заполнения общего объема материала порами (отношение объема пор к объему образца). Пористость подразделяется на открытую, закрытую и общую пористости, от величины которых зависят водопоглощение, водо-, газо- и паропроницаемость строительных материалов. С пористостью связаны также такие свойства материалов как прочность, теплопроводность, морозостойкость, звукопроницаемость и др.

Общей (истинной) пористостью называется весь объем пор в данном объеме материала. Общую пористость П общ, %, вычисляют по формуле:

Открытой пористостью материала называется объем тех пор, которые сообщаются с внешней средой. Их объем может быть измерен путем водонасыщения материала. Открытую пористость, П откр, % , вычисляют по формуле:

где - масса образца соответственно в насыщенном водой и сухом состоянии; V - объем материала; ρ в - плотность воды.

Закрытую пористость П закр находят по разности между общей и открытой пористостью:

Пористость строительных материалов колеблется в пределах от 0 (сталь, стекло) до 90-98% (пенопласт). Пористость материала характеризуют не только с количественной стороны, но и по характеру пор: замкнутые и открытые, мелкие (размеров в сотые и тысячные миллиметра) и крупные (от десятых долей миллиметра до 2-5 мм).

По характеру пор оценивают способность материала поглощать воду. Так полистирольный пенопласт, пористость которого достигает 95% имеет замкнутые поры и практически не поглощает воду. В то же время керамический кирпич, имеющий пористость в три раза меньшую, благодаря открытому характеру пор (большинство пор представляют собой сообщающиеся капилляры) активно поглощает воду. Открытые поры увеличивают водопоглощение и ухудшают морозостойкость. В звукопоглощающих материалах открытые поры желательны, так как они поглощают звуковую энергию.

Величина пористости в значительной мере влияет на прочность материала.

Величина прочности также зависит от размеров пор: она возрастает с их уменьшением. Прочность мелкопористых материалов, а также материалов с закрытой пористостью выше, чем прочность крупнопористых и с открытой пористостью.

Гидрофизические свойства (водопоглощение, гигроскопичность, водонепоницаемость, морозостойкость и др.). Влияния на другие свойства материала.

Водопоглощение - способность материала поглощать и удерживать воду. Водопоглощение характеризует в основном открытую пористость, так как вода не проходит в закрытые поры.

Гигроскопичность - свойство капиллярно-пористого материала поглощать водяной пар из влажного воздуха. Поглощение влаги из воздуха объясняется адсорбцией водяного пара на внутренней поверхности пор и капиллярной конденсацией. Этот процесс, называемый сорбцией, обратимый. Волокнистые материалы со значительной пористостью, например теплоизоляционные и стеновые, обладают развитой внутренней поверхностью пор и поэтому высокой сорбционной способностью.

Морозостойкость - способность материала в водонасыщенном состоянии не разрушаться при многократном попеременном замораживании и оттаивании.
Разрушение происходит из-за того, что объем воды при переходе в лед увеличивается на 9%. Давление льда на стенки пор вызывает растягивающие усилия в материале.

Водопроницаемость – способность материала пропускать воду под давлением. Степень водопроницаемости зависит от плотности и строения материала.

Теплофизические свойства (теплопроводность, теплоемкость, термическое сопротивление, огнеупорность, огнестойкость). Связь с вещественным составом и структурой материала.

Теплопроводность - свойство материала проводить тепловой поток через толщу от одной поверхности до другой.

Теплоемкость - свойство материала поглощать тепло при нагревании. Определяется удельной теплоемкостью.

Термическое сопротивление - тепловое сопротивление, способность тела (его поверхности или какого-либо слоя) препятствовать распространению теплового движения молекул.

Огнеупорностью - свойство материала противостоять, не расплавляясь, воздействию высоких температур. Огнеупорность материала определяют как температуру деформации образца - пироскопа определенных размеров при определенных условиях нагревания.

Огнестойкость – сво-во материала противостоять действию высоких температур и воды в условиях пожара без значительной потери несущей способности. По степени огнестойкости строительные материалы делятся на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Деформационные свойства материалов (упругость, пластичность, хрупкость, твердость и др.).

Упругость – свойство деформироваться под влиянием нагрузки и самопроизвольно восстанавливать первоначальную форму и размеры.

Пластичность – свойство изменять форму и размеры под действием внешних сил, не разрушаясь, причем после прекращения действия внешних сил тело не может самопроизвольно восстановиться.

Хрупкость – свойство твердых тел разрушаться при механических воздействиях без значительной пластической деформации.

Твердость – свойство материала сопротивляться местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела. Твердость минералов оценивают шкалой Мооса.

Горные породы и минералы (понятия). Их применения в строительстве.

Горные породы – это природные образование более или менее определенного состава и строения, образующие в земной коре самостоятельные геологические тела.

Минералами - это однородные по химическому составу и физическим свойствам составные части горной пароды. Большинство минералов твердые тела, иногда встречаются жидкие (самородная ртуть).

Горные породы – главный источник получения строительных материалов. Горные породы используют в промышленности строительных материалов как сырье для изготовления керамики, стекла, теплоизоляционных и других изделий, а также для производства неорганических вяжущих веществ - цементов, извести, гипсовых.

Сотни миллионов кубометров песка, гравия и щебня применяют ежегодна в качестве заполнителей бетонов и растворов. Широко используются природные каменные материалы для облицовки зданий и сооружений, устройство полов, лестниц, мощения дорог.

Свойство глин. Виды и назначение добавок применяемых на производстве.

Пластичность – свойство во влажном состоянии принимать под влияние внешнего воздействия желаемую форму без образования разрывов и трещин и сохранять полученную форму при последующей сушке и обжиге.

Связующая способность глины проявляется в связывании зерен непластичных материалов (песка, шамота, и др.), а также в образовании при высыхании достаточно прочного изделия – сырца. Связующую способность глиняных строительных растворов используют при кладке печей, труб.

Усадка – это уменьшение линейных размеров и объема глиняного сырца при его сушке и обжиге глин.

Спекаемостью глин называют их свойство уплотняться при обжиге и образовывать каменеподобный черепок.

Отощающие добавки вводятся в состав керамической массы для понижения пластичности и уменьшения воздушной и огневой усадки глин. В качестве отощающих добавок используют шамот, дегидратированную глину, песок, залу ТЭС, гранулированный шлак.

Порообразующие добавки вводят в сырьевую массу для получение легких керамических изделий с повышенной пористостью и пониженной теплопроводностью. Для этого используют вещества, которые при обжиге диссоциируют с выделением газа, например CO 2 (молотый мел, доломит), или выгорают.

Подготовка глины и формования изделий. Основные методы формования.

Карьерная глина в естественном состоянии обычно непригодна для получения керамических изделий. Поэтому проводится ее обработка с целью подготовки массы. Подготовку глин целесообразно вести сочетанием естественной и механической обработки. Естественная обработка подразумевает собой вылеживание предварительно добытой глины в течение 1-2 лет при периодическом увлажнении атмосферными осадками или искусственном замачивании и периодическом замораживании и оттаивании. Механическая обработка глин производится с целью дальнейшего разрушения их природной структуры, удаления или измельчения крупных включений, удаления вредных примесей, измельчения глин и добавок и перемешивания всех компонентов до получения однородной и удобоформуемой массы с использованием специализированных машин

Основные методы формования.

· Способ пластического формования

· Способ полусухого прессования

· Способ литья

По плотности

· Особо тяжелый более 2600 кг/м 3 заполнители: стальные опилки или зерна железные руды или барит.

· Тяжелый 2100 – 2600 кг/м 3 , плотные заполнители: кварцевый песок, щебень или гравий из плотных каменных парод.

· Облегченный 1800 – 2000 кг/м 3 ,(кирпичный щебень или крупнопористый).

· Легкий 1200 – 1800 кг/м 3 ,(шлак, пемза, туф).

· Особо легкий менее 1200кг/м 3 , пенобетон, газобетон.

По виду вяжущих веществ : цементный, цементно – полимерный, силикатный, шлакощелочной и др.

В зависимости от применения : обычный, гидротехнический, для стен зданий, для полов, тротуаров, дорожных и аэродромных покрытий, специального назначения.

Для обычных ЖБК должны иметь заданную прочность, для сооружений на открытом воздухе важна морозостойкость.

Для гидротехнических сооружений: высокая плотность, водонепроницаемость, морозостойкость, прочность, малая усадка, малым выделением теплоты, стойкостью против выщелачивающего действия, стойкость к минерализованных вод.

Для стен отапливаемых зданий: небольшую плотность и теплопроводность, прочность в соответствии с расчетом.

Ко всем бетонам и бетонным смесям: до затвердения бетонные смеси должны легко перемешиваться, транспортироваться и укладываться, не расслаиваться, бетон должен иметь определенную скорость твердения, расход цемента должен быть минемальным.

17. Основной закон прочности бетона формула Баломея – Скрамтаева .

Цемент при твердении химически связывает не более 20-25% воды от своей массы. Фактически же для обеспечения необходимой подвижности бетонной смеси берут 40-80% воды. Вода необходима также для смачивания поверхности песка и крупного заполнителя. Свободная, химически не связанная вода образует в бетоне поры. Чем больше пор, тем ниже будет прочность бетона.

На практике при подборе состава бетона пользуются линейной зависимостью:

R б = А R ц (Ц/В b) (формула И.Боломея-Б.Г.Скрамтаева),

где: R б - прочность бетона, R ц - марка (активность) цемента, В/Ц - водоцементное отношение,

где А - коэффициент, учитывающий качество заполнителей (0,65; 0,6 и 0,55), b - постоянный коэффициент (для Ц/В =1,4-2,5 b =-0,5, а для Ц/В =2,5-3,3 b =+0,5). Бетоны с высоким цементно-водным отношением относятся к высокопрочным бетонам.

Классификации ТИМ

· По структуре: волокнистые (минераловатные, стекловолокнистые и др.); зернистые (перлитовые, вермикулитовые); ячеистые (изделия из ячеистых бетонов, пеностекло, пенопласты, совелитовые и др.).

· По форме: штучные (плиты, блоки, кирпичи, цилиндры, полуцилиндры; рулонные и шнуровые (маты, шнуры, жгуты); рыхлые и сыпучие (вата, перлитовый песок и др.).

· По виду исходного сырья: неорганические; органические; композиционные.

· По плотности: на группы и марки; материалы, которые имеют промежуточные значения плотности, не совпадающие с указанными выше, относятся к ближайшей большей марке.

· По теплопроводности: класс А, класс Б, класс В

Структура ТИМ – основной признак всех теплоизоляционных материалов пористость или высокое содержания воздуха. Структура материала – аморфная, кристаллическая плохо подходит.

Неорганические материалы

Минеральная вата – рыхлый материал, состоящий из тончайших взаимно переплетающихся стекловидных волокон

Пеностекло – материал ячеистой структуры с равномерно распределенными замкнутыми порами размером 0,1-5 мм. Его получают из смеси тонкоизмельченного стеклянного порошка (обычно используется стеклобой) с газообразователем.

Ячеистые бетоны – наиболее перспективный вид теплоизоляционных бетонов.

Акриловые герметики

Состав акрилового герметика примерно следующий: эмульсия акриловая; двуокись титана; карбонат кальция; специальные пластификаторы; различные добавки.

Достоинства акрилового герметика: простота применения; отличная адгезия с большинством поверхностей; допускается окрашивать готовый слой, а также оштукатуривать; в процессе эксплуатации не выделяет токсичных химических элементов; негорючий материал; относительно низкая стоимость

Недостатки : потеря эластичных свойств при низкой температуре; изделие малоэффективно в условиях постоянного контакта с водой; ограниченный срок службы; могут изменять оттенок при высыхании.

Полиуретановые герметики

Этот вид герметиков представляют собой эластичную, клеящую, уплотняющую массу, долго сохраняющую свою эластичность. Применяются для склеивания и герметизации любых материалов: металла, древесины, камня, лакированной жести, пластмассы, керамики, бетона. Имеют хорошую адгезию и обеспечивают прочное склеивание, выдерживающее даже сильные землетрясения (до 5 баллов). Имеют в своем составе вредные, едкие вещества - нельзя допускать их попадания на открытые участки кожи.

Достоинства: Высочайшая эластичность; Отличная адгезия к керамике, пластмассе, бетону, кирпичу и металлу; Высокая самоадгезия (прекрасно липнет сам к себе); Влагостойкость; Быстрое отвердение; Стойкость к УФ лучам (в отличие от пены); Морозостойкость до -60 градусов. А работать с ним можно до -10 градусов; Полностью отсутствует усадка; Не выделяет в воздух вредных веществ; Долговечность; Окрашиваемость.

Недостатки : боязнь высоких температур (выше 120 градусов)

Силиконовые герметики

Представляют собой низкомолекулярный полидиорганосилоксановый каучук с концевыми гидроксильными группами в качестве сшивающего агента. В состав композиции могут входить наполнители и специальные добавки для повышения термостойкости, огнестойкости, теплопроводности, электропроводности, адгезии к различным материалам. Процесс отвердения происходит при контакте герметика с влагой окружающей среды с образованием трехмерной сшитой структуры. В химической основе отвердения лежит реакция гидролиза и поликонденсации концевых органофункциональных групп каучука.

Отличная водостойкость; Эластичность (упругость); Хорошая адгезия к большинству материалов; Высокие термостойкость и морозостойкость (от −60 до +300 °C); Стойкость к солнечному ультрафиолету; Стойкость к агрессивным средам; Долговечность.

Параметры состояния (плотность, пористость). Их взаимосвязь и влияние на другие свойства материала.

По величине средней плотности косвенно судят о некоторых других свойствах материала. Например, для каменных материалов существует приближенная зависимость между средней плотностью и теплопроводностью, а для древесины и некоторых каменных материалов (известняков) - между прочностью и плотностью.

От величины пористости и ее характера (размера и формы пор, равномерности распределения пор по объему материала, их структуры--сообщающиеся поры или замкнутые) зависят важнейшие свойства материала: плотность, прочность, долговечность, теплопроводность, водопоглощение, водонепроницаемость и др. Например, открытые поры увеличивают проницаемость и водопоглощение материала и ухудшают его морозостойкость. Однако в звукопоглощающих материалах открытые поры желательны, так как они поглощают звуковую энергию. Увеличение закрытой пористости за счет открытой повышает долговечность материала и уменьшает его теплопроводность.

Морозостойкость - способность насыщенного водой материа­ла сохранять физико-механические свойства при попеременном замораживании и оттаивании.

Морозостойкость строительного материала характеризуется маркой по морозостойкости: числом циклов попеременного замора­живания и оттаивания образцов бетона, после которых сохраняются первоначальные физико-механические свойства в нормируемых пределах: как правило, потеря массы и (или) прочности.

Щебень Полученные пробы промывают и высушивают до постоянной массы. Затем каждую пробу данной фракции равномерно насыпают в металлический сосуд и заливают водой, имеющей температуру 20±5 °С. Через 48 ч сливают воду из сосуда, помещают щебень в морозильную камеру и доводят температуру в камере до (-18±2) °С. Продолжительность одного цикла замораживания при такой темпе­ратуре составляет 4 ч. После этого сосуд с щебнем вынимают из морозильной камеры и помещают в ванну с водой с температурой 20±5 °С и выдерживают при этой температуре до полного оттаива­ния щебня, но не менее 2 ч. Далее циклы испытания повторяют.

После 15, 25 и каждых 25 циклов попеременного заморажива­ния и оттаивания пробу щебня высушивают до постоянной массы, просеивают через контрольное сито, на котором она полностью ос­тавалась перед испытанием, взвешивают остаток на сите и вычис­ляют потерю массы Am, %, с точностью до 0,1% по формуле Морозостойкость бетона определяется на образцах кубической формы размером 100x100x100 мм или 150x150x150 мм при дости­жении им нормативной прочности на сжатие (как правило, после 28 суток твердения).

Контрольные и основные образцы перед заморажива­нием насыщают водой температурой 18±2 °С.

Для насыщения образцы погружают в жидкость на 1/3 их высо­ты на 24 ч, затем уровень жидкости повышают до 2/3 высоты об­разца и выдерживают в таком состоянии еще 24 ч, после чего об­разцы полностью погружают в жидкость на 48 ч таким образом, что­бы уровень жидкости был выше верхней грани образцов не менее чем на 20 мм.

Контрольные образцы через 2...4 ч после извлечения из ванны испытывают на сжатие.

Основные образцы загружают в морозильную камеру при тем­пературе минус 18+2 °С и выдерживают при этой температуре не менее 2,5 ч для образцов с ребром 100 мм и не менее 3,5 ч для об­разцов с ребром 150 мм. Образцы после замораживания оттаивают в ванне с водой при температуре 18±2 °С в течение 2,0±0,5 ч и 3,0+0,5 ч соответственно в зависимости от размера образцов. В су­тки должно проводиться не менее 1 цикла.

Количество циклов попеременного замораживания и оттаива­ния, после которых должно проводиться испытание на сжатие, ус­танавливается в зависимости от ожидаемой марки бетона по моро­зостойкости.

Марку бетона по морозостойкости принимают за соответст­вующую требуемой, если среднее значение прочности на сжатие основных образцов после установленного для данной марки коли­чества циклов попеременного замораживания и оттаивания умень­шилось не более чем на 5 % по сравнению со средней прочностью на сжатие контрольных образцов.

Для цементных бетонов установлены следующие марки по мо­розостойкости: F25, F35, F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500, F600, F800. F1000. Зависит от физических свойств материала.

Назовите свойства, связанные с отношением материала к нагреванию. Единицы измерения. Численные значения. Примеры для различных материалов.

Теплопроводность(ккал/м*ч*градус,вода0,51),термостойкость,теплоёмкость(кДЖ/кг*градус вода=1), огнеупорность(градусы), огнестойкость(градусы). Теплопроводность сталь 50 . теплоёмкость сталь – 0,48

Теплопроводность. От чего зависит? В каких единицах измеряется. Численные значения теплопроводности для различных материалов. Для каких конструкций учитывается?

Теплопроводность (ккал/м*ч*градус) – это способность материала передавать через свою толщу тепло. Это явление возникает когда на противоположных поверхностях материала существует разность температур, например, на внешней и внутренней поверхностях стен здания. Зависит от строения и вещества материала, величины и характера пористости, влажности и др. Воздух – 0,02. Вода-0,51.Кирпич-0,75.гранит-2,5.Сталь-50. Учитывается для стен помещений, жилых строений и тд.

Объясните различие между огнестойкостью, огнеупорностью и теплостойкостью. Примеры.

Огнестойкость-способность материала не гореть. Огнеупорность-способность материала выдерживать длительное время действие высоких температур без деформации(без плавления). Термостойкость – способность материала сохранять эксплуатационные свойства при повышенных температурах: не деформируясь сохранять прочность.

Назовите механические и деформативные свойства материалов. Методы их определения.

Механические свойства отражают способность материала противостоять механическим воздействиям (нагрузкам) при эксплуатации. Нагрузки могут быть постоянными и временными. Св-ва: прочность твёрдость, стойкость при ударе, стойкость при истирании, износостойкость,упругопластические и деформативные св-ва.

Релаксация - свойство материала самопроизвольно снижать напряжения при условии, что начальная ее личина деформации зафиксирована жесткими связями и остается неизменной. При релаксации напряжений может измениться характер начальной деформации, например из упругой постепенно перейти в необратимую "(пластическую), при этом изменения размеров не происходит. Такое исчезновение напряжений возможно за счет межмолекулярных перемещений и переориентации внутримолекулярной структуры. Время, в течение которого первоначальная величина напряжения снижается в е -2,718 раза (е - основание натуральных логарифмов), называют периодом релаксации. Период релаксации меняется от 1(Н0 с у материалов жидкой консистенции до 2-Ю10 с (десятки лет и более) - у твердых материалов (чем меньше, тем более деформативен материал).

Упругость - свойство материала принимать после снятия нагрузки первоначальную форму и размеры. Количественно упругость характеризуют пределом упругости, который условно приравнивают напряжению, при котором материал начинает получать остаточные деформации очень малой величины, устанавливаемой в технических условиях для данного материала.Вышеуказанные характеристики прочности в значительной степени являются условными: 1) они не учитывают фактора времени, т. е. продолжительности действия напряжений, что искажает величину истинной прочности материала; 2) размеры, форма, характер поверхности образцов материала, скорость нагружения, прикалывания боры и другие исходные данные в принятых методах условны. Предел прочности одного и того же материала может иметь различную величину в зависимости от размера образца, его формы, скорости приложения нагрузки и конструкции прибора, на котором испытывались образцы.

Твердость - свойство материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого материала. Для определения твердости материалов в зависимости от их вида и назначения существует ряд методов. Твердость каменных материалов однородного строения определяют по шкале Мооса, которая составлена из 10 минералов с условным показателем твердости от 1 до 10 (самый мягкий тальк- 1, самый твердый алмаз- 10). Показатель твердости испытуемого материала находится между показателями твердости двух соседних минералов, из которых один царапает испытываемый материал, а другой оставляет черту на образце материала. Твердость металла, бетона, пластмасс определяют вдавливанием в испытуемый образец под определенной нагрузкой и в течение определенного времени стандартного стального шарика. За характеристику твердости в этом случае принимают отношение нагрузки к площади отпечатка. Показатели твердости, полученные разными способами, нельзя сравнивать друг с другом. Высокая прочность материала не всегда говорит о его твердости (например, древесина по прочности при сжатии равнозначна бетону, а ее твердость значительно меньше, чем у бетона).

Истираемость - свойство материала сопротивляться истирающим воздействиям. Одновременное воздействие истирания и удара характеризует износостойкость материала. Оба эти свойства определяют различными условными методами: истираемость - на специальных кругах истирания, а износ - с помощью вращающихся барабанов, куда вместе с пробой материала часто загружают определенное количество металлических шаров, усиливающих эффект измельчения. За характеристику истираемости принимают потерю массы или объема материала, отнесенных к 1 см2 площади истирания, а за характеристику износа - относительную потерю массы образца в процентах от пробы материала.

К атегория: Выбор стройматериалов

Структурные характеристики и физические свойства материалов

Основные структурные характеристики материала, используемые в строительстве и во многом определяющие его технические свойства,- это плотность и пористость материала и плотность вещества, из которого состоит материал. Поры - воздушные ячейки в самом веществе, из которого состоит материал; пустоты - воздушные полости между отдельными частицами материала.

Физические свойства материала характеризуют его поведение под воздействием физических факторов, моделирующих воздействие внешней среды и условия работы материала (действие воды, высоких и низких температур и т. п.).

Средняя плотность материала р,л (далее мы будем называть ее просто плотностью) - физическая величина, определяемая отношением массы т (кг) материала ко всему занимаемому им объему V (м3), включая имеющиеся в нем- пустоты и поры:
Pm = m/V.

Следовательно, плотность материала меняется в зависимости от его структуры. Так, искусственные материалы (бетоны, керамику и т. п.) путем изменения их структуры можно получать с заданной (требуемой) плотностью. Например, меняя пористость бетона, можно получить тяжелый бетон плотностью более 2200 кг/м3 или особо легкий - плотностью менее 500 кг/м3.

Для сыпучих материалов существует специальная характеристика - насыпная плотность рнас) при, расчете которой в объем материала включается и объем пустот между его зернами.

Истинная плотность материала р характеризуется массой единицы объема материала, причем имеется в виду объем только твердого вещества Утв, из которого состоит материал, без учета объема пор и пустот. Иными словами, истинная плотность - это плотность вещества, из которого состоит материал. У непористых материалов (стекло, сталь, битум) средняя плотность равна истинной.

Истинная плотность каждого вещества - постоянная характеристика (физическая константа), которая не может быть изменена, как средняя плотность материала, без изменения его химического состава или молекулярной структуры. В этом заключается существенное отличие истинной плотности от средней.

Значения истинной плотности вещества зависят в основном от его химического состава, и у материалов с близким химическим составом эти значения почти не отличаются. Так, у каменных материалов как природных (песок, гранит, известняк), так и искусственных (кирпич, бетон, стекло), состоящих в основном из оксидов кремния, алюминия и кальция, истинная плотность колеблется в пределах 2500…3000 кг/м3. Истинная плотность органических материалов, состоящих в основном из углерода, водорода и кислорода (битум, полимеры, масла), составляют 800…1200 кг/м3. Относительно высокая истинная плотность у древесины - около 1500 кг/м3. Большие различия в истинной плотности наблюдаются лишь у металлов (кг/м3): алюминий - 2700, сталь - 7850, свинец- 1130. Плотность воды 1000 кг/м3.

Пористость является основной структурной характеристикой, определяющей такие свойства материала, как водо- поглощение, теплопроводность, акустические свойства, морозостойкость, прочность и др.

Водопоглощение - способность материалов впитывать и удерживать в своих порах влагу - зависит от пористости материала и характеризуется максимальным количеством воды, которое может поглотить абсолютно сухой материал.

Гигроскопичность - способность материалов поглощать водяные пары из воздуха. Гигроскопичность зависит от химического состава материала и характера его пористости. К гигроскопичным материалам относятся древесина и гипс. Характерные для древесины усушка и набухание, сопровождающиеся короблением и возникающие даже без непосредственного контакта с водой, являются следствием ее гигроскопичности. Снизить гигроскопичность можно, покрывая поверхность материала гидрофобными (водоотталкивающими) веществами. Например, древесину покрывают водостойкими лаками и красками, а фасадные штукатурные покрытия обрабатывают гидрофобизпрующими кремнийорганическими жидкостями.

Влагоотдача - способность материала терять находящуюся в его порах воду. Влагоотдачу определяют количеством воды, испаряющейся из образца материала в течение суток при температуре воздуха 20°С и относительной влажности 60%. Влагоотдачу материала необходимо учитывать, например, при сушке оштукатуренных известковым раствором стен или при уходе за твердеющим бетоном. В первом случае желательна быстрая влагоотдача, а во втором - наоборот, замедленная.

Водопроницаемость - способность материала пропускать воду под давлением. Водопроницаемость характеризуется количеством воды, проходящей в течение 1 ч через образец площадью 1 м2 и толщиной 1 м при заданном давлении воды. Водопроницаемость зависит от пористости материала, и в первую очередь от характера пор (открытые или закрытые). Водонепроницаемыми можно считать плотные материалы (стекло, металлы) или материалы с мелкими замкнутыми порами (пенопласта).

У специальных гидроизоляционных материалов (гидроизоляционные растворы, герметизирующие мастики и т. п.) чаще оценивают не водопроницаемость, а водонепроницаемость. Она характеризуется или временем, по истечении которого появляются признаки просачивания воды под определенным давлением через образец материала (рулонные и мастичные гидроизоляционные материалы) или предельным давлением воды, при котором вода еще не проходит через образец материала за время испытания (гидроизоляционные строительные растворы).

Паро- и газопроницаемость - способность материала пропускать через свою толщу водяной пар и газы (воздух). Паропроницаемость характеризуется коэффициентом паропроницаемости, численно равным количеству водяного пара, проникающего через слой материала толщиной 1 м, площадью 1 м2 в течение 1 ч при разности парциальных давлений пара по разные стороны материала в 133,3 Па. (Парциальное - это давление газа, входящего в состав газовой смеси, которое он оказывал бы, занимая один весь объем смеси и находясь при температуре смеси.) Таким же коэффициентом оцениваются и газопроницаемость (воздухопроницаемость).

Паро- и газопроницаемость - положительные и в ряде случаев необходимые свойства материалов, применяемых для отделки стен. Достаточные паро- и газопроницаемость стеновых материалов помогают поддерживать оптимальный для человека влажностный и газовый режимы жилых помещений и предотвращают преждевременное разрушение наружной поверхности стен при повторяющихся замораживании и оттаивании.

Морозостойкость характеризуется количеством циклов замораживания (при температуре не выше -17СС) и оттаивании (в воде), которое материал выдерживает без потери определенной, указанной в стандарте на этот материал, доли своей массы или первоначальной прочности. Так, для строительных растворов потеря массы допускается не более 5%, а потеря прочности - 25%. По морозостойкости материалы подразделяют на марки МрзЮ, 15, 25, 35, 50, 100 и т. д.

Разрушение влажного материала при замораживании происходит из-за того, что вода, находящаяся в порах, при замерзании увеличивается в объеме почти на 10%. В результате разрушаются стенки некоторых пор и при повторном увлажнении вода проникает глубже в материал. Такие циклически повторяющиеся замораживания и оттаивания во влажном состоянии постепенно приводят ко все большему разрушению материала.

Морозостойкость материала зависит от соотношения его водопоглощения и пористости. Плотные материалы (пористость и водопоглощение которых близки к 0%) обладают очень высокой морозостойкостью. Высокую морозостойкость имеют пористые материалы, имеющие замкнутые поры, не поглощающие воду. Материалы с открытой пористостью и соответственно большим водопоглощением имеют, как правило, невысокую морозостойкость.

Теплопроводность - способность материала передавать теплоту сквозь свою толщу от одной своей поверхности к другой в случае, если температура у этих поверхностей разная. Теплопроводность материала характеризуется количеством теплоты (Дж), которое способен пропустить материал через 1 м2 поверхности при толщине 1 м и разности температур на поверхностях 1 К (1°С) в течение 1 с.

Теплопроводность твердого вещества зависит от его химического состава и молекулярного строения; но она всегда во много раз выше теплопроводности воздуха. Так, теплопроводность кварца 5,5 Вт/(м-°С), а воздуха - 0,024 Вт/’(м-°С), т. е. теплопроводность воздуха почти в 250 раз ниже теплопроводности кварца. Следовательно, наличие в материале воздушных пор резко снижает его теплопроводность. А так как чем больше в материале пор, тем ниже его плотность, то между плотностью и теплопроводностью материала существует прямая зависимость.

Теплоемкость - способность материала поглощать при нагревании теплоту. Показателем теплоемкости служит удельная теплоемкость, равная количеству теплоты, необходимой для нагревания единицы массы материала на 1 К (1°С). Удельная теплоемкость большинства природных и искусственных каменных материалов находится в пределах (0,7. . ,1)-103 Дж/(кг-°С), поэтому количество теплоты, нужное для нагрева той или иной строительной конструкции до одной и той же температуры, зависит не от вида материала, а от массы конструкции.

Тепловое расширение - свойство материала расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении - характеризуется температурными коэффициентами объемного и линейного расширения. В строительстве чаще используется температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), показывающий, на какую долю первоначальной длины увеличится размер материала в рассматриваемом направлении при повышении температуры на 1 К(1°С).

У разных материалов ТКЛР могут значительно отличаться. Например, ТКЛР пластмасс в 5…10 раз выше, чем бетона. Поэтому в конструкциях, объединяющих несколько материалов, необходимо учитывать линейное расширение каждого. При жестком соединении материалов с разными коэффициентами линейного расширения в конструкциях могут возникнуть большие напряжения и как результат - коробление и растрескивание материала.

Эффект теплового расширения материалов можно наблюдать, например, в изменении размеров шва между железобетонными панелями. Так, при изменении температуры от -20 до +30°С размер железобетонной панели длиной 6 м увеличивается на 3 мм, на столько же при этом уменьшается ширина шва между панелями.

Трудносгораемые материалы под действием огня медленно воспламеняются и после удаления огня их горение и тление прекращается. К этим материалам относятся фибролит, пропитанная антипиренами древесина, асфальтобетон.

Огнеупорность - способность материала длительно работать в условиях высоких температур без деформаций и размягчения. По степени огнеупорности различают: легкоплавкие (огнеупорность ниже 1350 °С), тугоплавкие (огнеупорность 1350…1580°С) и огнеупорные (огнеупорность выше 1580 °С) материалы.

Акустические свойства материалов - это свойства, связанные с взаимодействием материала и звука. Звук, или звуковые волны,- это механические колебания, распространяющиеся в твердых, жидких и газообразных средах. Строителя интересуют две стороны взаимодействия звука и материала: в какой степени материал проводит сквозь свою толщу звук - звукопроводность и в какой мере материал поглощает и отражает падающий на него звук - звукопоглощение.

Звукопроводность зависит от массы материала и его строения. Материал тем меньше проводит звук, чем больше его масса; если масса материала велика, то энергии звуковых волн не хватает, чтобы пройти сквозь него, так как для этого надо привести материал в колебание. Плохо проводят звук пористые и волокнистые материалы, так как звуковая энергия поглощается и рассеивается развитой поверхностью материала, переходя при этом в тепловую энергию.

Звукопоглощение зависит от характера поверхности материала. Материалы с гладкой поверхностью отражают большую часть падающего на них звука (эффект зеркала), поэтому в помещении с гладкими стенами из-за многократного отражения от них звука, создается постоянный шум. Если же поверхность материала имеет открытую пористость, то звуковые колебания, входя в поры, поглощаются материалом, а не отражаются. Так, мягкая мебель, ковры заглушают звук. С этой же целью применяют специальную акустическую штукатурку с мелкими открытыми порами (например, такой штукатуркой покрыты стены в театре Советской Армии в Москве).

личина относительная, так как твердость одного материал оценивается по отношению к другому. Самый простой метод определения твердости - по шкале твердости. В эту шкалу входят 10 минералов, расположенных по возрастающей твердости, начиная от талька (твердость 1) и кончая алмазом (твердость 10). Твердость исследуемого материала определяют, последовательно царапая его входящими в шкалу твердости минералами.

Обычно твердость определяют на специальных приборах. Так, для оценки твердости металлов и других твердых материалов применяют метод Бринелля, основанный на вдавливании под определенной нагрузкой в испытуемый образец шарика из закаленной стали. По диаметру отпечатка шарика рассчитывают число твердости НВ.

Высокая прочность материала не всегда говорит о его твердости. Так, хотя древесина по прочности при сжатии равна бетону, а при изгибе и растяжении превосходит его, она имеет значительно меньшую, чем у бетона твердость.

Износостойкость - способность материала противостоять воздействию на него сил трения и ударных воздействий от движущихся предметов. Определяют ее на специальных приборах, снабженных абразивными насадками и моделирующих реальный процесс изнашивания. Износостойкость - важное свойство материалов, используемых для покрытий полов, дорог и т. п. Характеристикой износостойкости служит истираемость, определяемая потерей массы или объема испытуемого образца материала, отнесенной к единице его площади. Износостойкость - важное свойство материалов, используемых для покрытий полов, дорог и т. п.

Структурная прочность. Пластично-вязкие смеси (например, мастики и строительные растворы) в отличие от жидкостей при малых нагрузках ведут себя как твердые тела. Если повышать нагрузку, то по достижении определенных напряжений в материале, называемых предельным напряжением сдвига, характеризующим структурную прочность, материал начинает течь подобно жидкости. Причина этого в том, что при указанных напряжениях в материале нарушаются внутренние связи между его частицами - разрушается его структура.

Таким образом, модель пластично-вязкого материала можно представить себе как систему из следующих последовательно соединенных элементов: пружины 3 (характеризует упругие свойства материала), груза, лежащего на плоскости (пластические свойства), и поршня, движущегося в цилиндре с маслом (вязкость). Если начать тянуть за пружину с возрастающей силой F, сначала растягивается пружина, а остальные элементы остаются в покое (если силу убрать, система вернется к исходному состоянию). Затем, когда сила F станет равной силе трения FTp, вся система начнет двигаться. При этом, чтобы увеличить) скорость движения, надо преодолеть возрастающее сопротивление масла в поршне, т. е. увеличивать силу F.

Тиксотропия. Многие пластично-вязкие смеси обладают свойством обратимо восстанавливать свою структуру, разрушенную механическими воздействиями. Физическая основа тиксотропии - разрушение структурных связей внутри пластично-вязкого материала, при этом материал теряет структурную прочность и превращается в вязкую жидкость. Явление тиксотропии используют при виброуплотнении бетонных и растворных смесей и при нанесении мастичных и окрасочных составов шпателем или кистью. В последнем случае материал под действием шпателя (кисти) течет, равномерно распределяясь по поверхности, а когда инструмент прекращает свое действие, материал вновь обретает структурную прочность и, например, будучи нанесенным на вертикальную поверхность, не стекает с нее.

Основные структурные характеристики материала, используемые в строительстве и во многом определяющие его технические свойства, - это плотность и пористость материала и плотность вещества, из которого состоит материал. Поры - воздушные ячейки в самом веществе, из которого состоит материал; пустоты - воздушные полости между отдельными частицами материала. Физические свойства материала характеризуют его поведение под воздействием физических факторов, моделирующих воздействие внешней среды и условия работы материала (действие воды, высоких и низких температур и т.п.).

Следовательно, плотность материала меняется в зависимости от его структуры. Поэтому искусственные материалы (бетоны, керамику и т. п.) путем изменения их структуры можно получать с заданной (требуемой) плотностью. Например, меняя пористость бетона, можно получить тяжелый бетон плотностью более 2200 кг/м3 или особо легкий - плотностью менее 500 кг/м3.

Несмотря на кажущуюся простоту этой характеристики материала, плотность несет большой объем информации о других свойствах, о чем неоднократно будет говориться ниже.

Иными словами, истинная плотность - это плотность вещества, из которого состоит материал.

У непористых материалов (стекло, сталь, битум) средняя плотность равна истинной. Истинная плотность каждого вещества - постоянная характеристика (физическая константа), которая не может быть изменена, как средняя плотность материала, без изменения его химического состава или молекулярной структуры.

Значения истинной плотности вещества зависят в основном от его химического состава, и у материалов с близким химическим составом они различаются незначительно. Так, у каменных материалов как природных (песок, гранит, известняк), так и искусственных (кирпич, бетон, стекло), состоящих в основном из оксидов кремния, алюминия и кальция, истинная плотность колеблется в пределах 2500…3000 кг/м3. Истинная плотность органических материалов, состоящих в основном из углерода, водорода и кислорода (битум, полимеры, масла), составляет 800… 1200 кг/м3. Относительно высокая плотность у древесины- около 1500 кг/м3. Большие различия в истинной плотности наблюдаются лишь у металлов (кг/м3); алюминий - 2700, сталь - 7850, свинец- 1130. Плотность воды 1000 кг/м3.

Пористость строительных материалов колеблется в пределах от 0 до 90…98%.

Пористость материала характеризуют не только с количественной стороны, но и по характеру пор: замкнутые и открытые, мелкие (размером в сотые и тысячные доли миллиметра) и крупные (от десятых долей миллиметра до 2…5 мм). Характер пор важен, например, при оценке способности материала поглощать воду. Так, по-листирольныи пенопласт, пористость которого достигает 95 , имеет замкнутые поры и практически не поглощает воду. В то же время керамический кирпич, имеющий пористость в три раза меньшую (т.е. около 30 ), благодаря открытому характеру пор (большинство пор представляют собой сообщающиеся капилляры) активно поглощает воду.

Пористость является основной структурной характеристикой, определяющей такие свойства материала, как водопоглощение, теплопроводность, акустические свойства, морозостойкость, прочность и др.

Влажность - величина, показывающая, сколько воды в данный момент находится в материале по отношению к его сухой массе (реже по отношению к объему материала). Влажность материала выражается в процентах и может изменяться от 0% (абсолютно сухой материал) до значения полного водопоглощения. Влажность материала зависит как от свойств самого материала (пористости, гигроскопичности), так и от окружающей его среды (влажность воздуха, наличие контакта с водой).

Гигроскопичность - способность материалов поглощать водяные пары из воздуха. Гигроскопичность зависит от химического состава материала и характера его пористости. К гигроскопичным материалам относятся древесина и гипс. Характерные для древесины усушка и набухание, сопровождающиеся короблением и возникающие даже без непосредственного контакта с водой, являются следствием ее гигроскопичности. Снизить гигроскопичность можно, покрывая поверхность материала гидрофобными (водоотталкивающими) веществами. Например, древесину покрывают водостойкими лаками и красками.

При увлажнении материала изменяются его свойства - увеличиваются плотность, теплопроводность и обычно снижается прочность. Поэтому при всех расчетах необходимо учитывать как влажность материала, так и его способность к поглощению влаги (водопоглощение и гигроскопичность). Во всех случаях при применении и хранении пористые строительные материалы предохраняют от увлажнения.

Влагоотдача - способность материала терять находящуюся в его порах воду. Влагоотдачу определяют количеством воды, испаряющейся из образца материала в течение суток при температуре воздуха 20 °С и относительной влажности 60%. Влагоотдачу учитывают, например, при сушке стен зданий и уходе за твердеющим бетоном. В первом случае желательна быстрая влагоотдача, а во втором, наоборот, замедленная.

Морозостойкость - способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения.

Вода, находящаяся в порах материала, при замерзании увеличивается в объеме почти на 10 %. В результате стенки некоторых пор разрушаются и при повторном увлажнении вода проникает глубже в материал. Такие циклически повторяющиеся замораживания и оттаивания с увлажнением постепенно разрушают материал.

Морозостойкость зависит от пористости и водопогло-щения материала. Плотные материалы (пористость 0 %), а также материалы с замкнутыми порами, т. е. с небольшим водопоглощением, обладают высокой морозостойкостью. Материалы с открытой пористостью обладают, как правило, невысокой морозостойкостью, и требуются обязательные лабораторные испытания для ее оценки.

Морозостойкость характеризуется числом циклов замораживания (при температуре не выше -17 °С) и оттаивания (в воде), которое материал выдерживает без потери более 5 % своей массы или 15 % первоначальной прочности. По морозостойкости материалы подразделяют на марки: МрзЮ; 15; 25; 35; 50; 100 и т. д. Так, марка по морозостойкости кирпича Мрз15 означает, что кирпич выдерживает не менее 15 циклов «замораживания - оттаивания» без указанных повреждений.

Теплопроводность - способность материала передавать теплоту сквозь свою толщу от одной своей поверхности к другой в случае, если температура у этих поверхностей разная. Теплопроводность материала характеризуется количеством теплоты (в джоулях), которое способен пропустить материал через 1 м2 поверхности при толщине 1 м и разности температур на поверхностях 1 К в течение 1 с.

Теплопроводность твердого вещества зависит от его химического состава и молекулярного строения, но она всегда во много раз выше теплопроводности воздуха. Так, теплопроводность кварца 5,5 Вт/(м-К), а воздуха- 0,024 Вт/(м-К), т. е. теплопроводность воздуха почти в 250 раз ниже теплопроводности кварца. Следовательно, наличие в материале воздушных пор резко снижает его теплопроводность. А так как чем больше в материале пор, тем ниже его плотность, то между плотностью и теплопроводностью материала существует прямая зависимость.

Если материал увлажнен, т. е. воздух в порах замещен водой, то теплопроводность материала резко возрастает, так как теплопроводность воды в 25 раз выше, чем воздуха.

Теплоемкость - способность материала поглощать при нагревании теплоту. Показателем теплоемкости служит удельная теплоемкость, равная количеству теплоты, необходимой для нагревания единицы массы материала на 1 К. Удельная теплоемкость большинства природных и искусственных каменных материалов находится в пределах (0,7… 1) -103 Дж/(кг-К). Поэтому количество теплоты, нужное для нагрева той или иной строительной конструкции до одной и той же температуры, зависит не от вида материала, а от массы конструкции.

Тепловое расширение - свойство материала расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении - характеризуется температурными коэффициентами объемного и линейного расширения. В строительстве чаще используется температурный коэффициент линейного расширения, показывающий, на какую долю первоначальной длины увеличится размер материала в рассматриваемом направлении при повышении температуры на 1 К.

Коэффициенты линейного расширения у разных материалов могут значительно отличаться. Например, коэффициент линейного расширения пластмасс в 5… 10 раз выше, чем бетона. Поэтому в конструкциях, объединяющих несколько материалов, необходимо учитывать линейное расширение каждого. При жестком соединении материалов с разными коэффициентами линейного расширения в конструкциях могут возникнуть большие напряжения и как результат - коробление и растрескивание материала.

Эффект теплового расширения материалов можно наблюдать, например, в изменении размеров шва между железобетонными панелями. Так, при изменении температуры от -20 до +30 °С размер железобетонной панели длиной 6 м увеличивается на 3 мм, на столько же при этом уменьшается ширина шва между панелями.

Огнестойкость - способность материала выдерживать без разрушения воздействие огня и воды в условиях пожара. Разрушение материала в таких условиях может произойти из-за того, что он сгорит, растрескается, полностью потеряет прочность. Для повышения огнестойкости материалов используют антипирены - вещества, которыми пропитывают или покрывают материал. Антипирены выделяют газы, не поддерживающие горения, или под действием высокой температуры образуют пористый защитный слой на материале, чем замедляют его нагрев. По степени огнестойкости различают несгораемые, трудносгораемые и сгораемые материалы.

Несгораемые материалы под действием огня или высокой температуры не горят и не обугливаются. К таким материалам относятся бетон, кирпич и т. п. Однако некоторые несгораемые материалы (стекло, асбестоцемент, мрамор) при резком нагревании разрушаются, а стальные конструкции при сильном нагревании теряют прочность и деформируются.

Трудносгораемые материалы под действием огня медленно воспламеняются и после удаления огня их горение и тление прекращаются. К этим материалам относятся фибролит, пропитанная антипиренами древесина, асфальтобетон.

Сгораемые материалы под действием огня или высокой температуры горят и продолжают гореть после удаления источника огня.

Огнеупорность - способность материала длительно работать в условиях высоких температур без деформаций и размягчения. По степени огнеупорности различают: легкоплавкие (огнеупорность ниже 1350 °С), тугоплавкие (огнеупорность от 1350 до 1580 °С) и огнеупорные (огнеупорность выше 1580 °С) материалы.

Акустические свойства материалов - это свойства, связанные с взаимодействием материала и звука. Звук, или звуковые волны, - это механические колебания, распространяющиеся в твердых, жидких и газообразных средах. Строителя интересуют две стороны взаимодействия звука и материала: в какой степени материал проводит сквозь свою толщу звук - звукопроводность и в какой мере материал поглощает и отражает падающий на него звук - звукопоглощение.

Звукопроводность зависит от массы материала и его строения. Материал тем меньше проводит звук, чем больше его масса: если масса материала велика, то энергии звуковых волн не хватает, чтобы пройти сквозь него, так как для этого надо привести материал в колебание. Плохо проводят звук пористые и волокнистые материалы, так как звуковая энергия поглощается и рассеивается развитой поверхностью материала, переходя при этом в тепловую энергию.

Звукопоглощение зависит от характера поверхности материала. Материалы с гладкой поверхностью отражают большую часть падающего на них звука (эффект зеркала), поэтому в помещении с гладкими стенами звук, многократно отражаясь от них, создает постоянный шум. Если же поверхность материала имеет открытую пористость, то звуковые колебания, входя в поры, поглощаются материалом, а не отражаются. Так, мягкая мебель, ковры заглушают звук.

Структурные характеристики и физические свойства материалов

19.07.2014 07:17

Свойства строительных материалов определяют области их применения. Только при правильной оценке качества материалов, т. е. их важнейших свойств, могут быть получены прочные и долговечные строительные конструкции зданий и сооружений высокой технико-экономической эффективности. Все свойства строительных материалов по совокупности признаков подразделяют на физические, химические, механические и технологические.

К физическим свойствам относятся весовые характеристики материала, его плотность, проницаемость для жидкостей, газов, тепла, радиоактивных излучений, а также способность материала сопротивляться агрессивному действию внешней эксплуатационной среды. Последнее характеризует стойкость материала, обусловливающую в конечном итоге сохранность строительных конструкций.

Химические свойства оцениваются показателями стойкости материала при действии кислот, щелочей, растворов солей, вызывающих обменные реакции в материале и разрушение его.

Механические свойства характеризуются способностью материала сопротивляться сжатию, растяжению, удару, вдавливанию в него постороннего тела и другим видам воздействий на материал с приложением силы.

Технологические свойства — способность материала подвергаться обработке при изготовлении из него изделий. Эти свойства рассматриваются в соответствующих разделах курса применительно к конкретному материалу.

Свойства, строение и состав строительных материалов

Свойства строительного материала определяются его структурой. Для получения материала заданных свойств следует создать его внутреннюю структуру, обеспечивающую необходимые технические характеристики. В конечном итоге знание свойств материалов необходимо для наиболее эффективного его использования в конкретных условиях эксплуатации.

Структуру строительного материала изучают на трех уровнях: макроструктура — строение материала, видимое невооруженным глазом; микроструктура — строение, видимое через микроскоп; внутреннее строение вещества, изучаемое на молекулярно-ионном уровне (физико-химические методы исследования — электронная микроскопия, термография, рентгеноструктурный анализ и др.).

Макроструктуру твердых строительных материалов (исключая горные породы, имеющие свою геологическую классификацию) делят на следующие группы: конгломератная, ячеистая, мелкопористая, волокнистая, слоистая и рыхлозернистая (порошкообразная). Искусственные конгломераты представляют собой большую группу; это различного вида бетоны, керамические и другие материалы. Ячеистая структура материала отличается наличием макропор; она свойственна газо- и пенобетонам, газосиликатам и др. Мелкопористая структура характерна, например, для керамических материалов, получаемых в результате выгорания введенных органических веществ. Волокнистая структура присуща древесине, изделиям из минеральной ваты и др. Слоистая структура характерна для листовых, плитных и рулонных материалов. Рыхлозернистые материалы — это заполнители для бетонов, растворов, различного вида засыпка для тепло-звукоизоляции и др.

Микроструктура строительных материалов может быть кристаллическая и аморфная. Эти формы нередко являются лишь различными состояниями одного и того же вещества, например кварц и различные формы кремнезема. Кристаллическая форма всегда устойчива. Чтобы вызвать химическое взаимодействие между кварцевым песком и известью в производстве силикатного кирпича, применяют автоклавную обработку сырца насыщенным водяным паром с температурой 175°С и давлением 0,8 МПа, в то же время трепел (амфорная форма диоксида кремнезема) с известью при затворении водой образует гидросиликат кальция при нормальной температуре 15...25°С. Амфорная форма вещества может перейти в более устойчивую кристаллическую.

Для каменных материалов практическое значение имеет явление полиморфизма, когда одно и то же вещество способно существовать в различных кристаллических формах, называемых модификациями. Полиморфные превращения кварца сопровождаются изменением объема. Для кристаллического вещества характерны определенная температура плавления и геометрическая форма кристаллов каждой модификации. Свойства монокристаллов в разных направлениях неодинаковы. Теплопроводность, прочность, электропроводность, скорость растворения и явления анизотропии являются следствием особенностей внутреннего строения кристаллов. В строительстве применяют поликристаллические каменные материалы, в которых разные кристаллы ориентированы хаотично. Эти материалы по своим свойствам относятся к изотропным, исключение составляют слоистые каменные материалы (гнейсы, сланцы и др.).

Внутренняя структура материала определяет его механическую прочность, твердость, теплопроводность и другие важные свойства.

Кристаллические вещества, входящие в состав строительного материала, различают по характеру связи между частицами, образующими кристаллическую решетку. Она может быть образована: нейтральными атомами (одного и того же элемента, как в алмазе, или разных элементов, как в SiCl 2); ионами (разноименно заряженными, как в кальците СаСO 3 , или одноименными, как в металлах); целыми молекулами (кристаллы льда). Ковалентная связь, обычно осуществляемая электронной парой, образуется в кристаллах простых веществ (алмазе, графите) или в кристаллах, состоящих из двух элементов (кварце, карборунде). Такие материалы отличаются высокой прочностью и твердостью, они весьма тугоплавки.

Ионные связи образуются в кристаллах материалов, где связь имеет в основном ионный характер, например гипс, ангидрид. Они имеют невысокую прочность, не водостойки.

В относительно сложных кристаллах (кальците, полевых шпатах) имеют место и ковалентная и ионная связи. Например, в кальците внутри сложного иона связь ковалентная, но с ионами — ионная. Кальцит СаСO 3 обладает высокой прочностью, но малой твердостью, полевые шпаты имеют высокие прочность и твердость.

Молекулярные связи образуются в кристаллах тех веществ, в молекулах которых связи являются ковалентными. Кристалл этих веществ построен из целых молекул, которые удерживаются друг около друга относительно слабыми ван-дер-ваальсовыми силами межмолекулярного притяжения (кристаллы льда), имеющими низкую температуру плавления.

Силикаты имеют сложную структуру. Волокнистые минералы (асбест) состоят из параллельных силикатных цепей, связанных между собой положительными ионами, расположенными между цепями. Ионные силы слабее ковалентных связей внутри каждой цепи, поэтому механические силы, недостаточные для разрыва цепей, расчленяют такой материал на волокна.

Пластинчатые минералы (слюда, каолинит) состоят из силикатных групп, связанных в плоские сетки. Сложные силикатные структуры построены из тетраэдров, связанных между собой общими вершинами (атомами кислорода) и образующих объемную решетку, поэтому их рассматривают как неорганические полимеры.

Строительный материал характеризуется химическим, минеральным и фазовым составом. Химический состав строительных материалов позволяет судить о ряде свойств материала — механических, огнестойкости, биостойкости, а также других технических характеристиках. Химический состав неорганических вяжущих материалов (извести, цемента и др.) и естественных каменных материалов удобно выражать содержанием в них оксидов (%). Основные и кислотные оксиды химически связаны и образуют минералы, которые характеризуют многие свойства материала. Минеральный состав показывает, каких минералов и в каком количестве содержится в данном материале, например в портландцементе содержание трехкальциевого силиката составляет 45...60 %, причем при большем содержании этого минерала ускоряется процесс твердения и повышается прочность. Фазовый состав и фазовые переходы воды, находящейся в его порах, оказывают большое влияние на свойства материала. В материале выделяют твердые вещества, образующие стенки пор, т. е. каркас и поры, наполненные воздухом или водой. Изменение содержания воды и ее состояния меняет свойства материала.

Физические свойства и структурные характеристики

Под истинной плотностью (кг/м 3) понимают массу единицы объема абсолютно плотного материала.

Под средней плотностью понимают массу единицы объема материала (изделия) в естественном состоянии (с пустотами и порами). Средняя плотность одного и того же вида материала может быть разной в зависимости от пористости и пустотности.

Сыпучие материалы (песок, щебень, цемент и др.) характеризуются насыпной плотностью — отношением массы зернистых и порошкообразных материалов ко всему занимаемому ими объему, включая и пространство между частицами. От плотности материала в значительной мере зависят его технические свойства, например прочность, теплопроводность. Этими данными пользуются при определении толщины ограждающих конструкций отапливаемых зданий, размера строительных конструкций, расчетах транспортных средств, подъемно-транспортного оборудования и др. Значения средней плотности строительных материалов находятся в широких пределах.

Плотность зависит от пористости и влажности материала. С увеличением влажности плотность материала увеличивается. Показатель плотности является характерным и для оценки экономичности.

Пористостью (%) материала называют степень заполнения его объема порами. Поры — это мелкие ячейки в материале, заполненные воздухом или водой. Поры бывают открытые и закрытые, мелкие и крупные. Мелкие поры, заполненные воздухом, придают строительным материалам теплоизоляционные свойства. По величине пористости можно приближенно судить о других важных свойствах материала: плотности, прочности, водопоглощении, долговечности и др. Для конструкций, от которых требуется высокая прочность или водонепроницаемость, применяют плотные материалы, а для стен зданий — материалы со значительной пористостью, обладающие хорошими теплоизоляционными свойствами.
Открытые поры сообщаются с окружающей средой и могут сообщаться между собой, они заполняются водой при погружении в ванну с водой. В материале обычно имеются открытые и закрытые поры. В звукопоглощающих материалах специально создаются открытая пористость и перфорация для большего поглощения звуковой энергии.

Закрытая пористость по размерам и распределению пор характеризуется: а) интегральной кривой распределения объема пор по их радиусам в единице объема и б) дифференциальной кривой распределения объема пор по их радиусам.

Пористость, полученная с помощью ртутного поромера, позволяет определить размер и объем пор каждой величины и оценить форму их. Ртуть не смачивает поры большинства строительных материалов и проникает в них при повышенном давлении. при нулевом давлении несмачивающая жидкость не будет проникать в поры.

Удельную поверхность порового пространства определяют, используя средний условный радиус пор или адсорбционными методами (по адсорбции водяного пара, азота или другого инертного газа).

Удельная поверхность (см 2 /г) пропорциональна массе адсорбированного водяного пара (газа), необходимой для покрытия мономолекулярным слоем всей внутренней поверхности пор (в 1 г на 1 г сухого материала).

Свойства строительного материала определяются его составом, структурой и прежде всего значением и характером пористости.

Пустотность — количество пустот, образующихся между зернами рыхлонасыпанного материала (песка, щебня и т. п.) или имеющихся в некоторых изделиях, например в пустотелом кирпиче, панелях из железобетона. Пустотность песка и щебня составляет 35...45%, пустотелого кирпича — 15...50%.

Водопроницаемость — способность материала поглощать воду при увлажнении и отдавать ее при высушивании. Насыщение материала водой может происходить при действии на него воды в жидком состоянии или в виде пара. В связи с этим соответственно различают два свойства материала: гигроскопичность и водопоглощение.

Гигроскопичность — свойство материала поглощать водяные пары из воздуха и удерживать их вследствие капиллярной конденсации. Она зависит от температуры воздуха, его относительной влажности, вида, количества и размера пор, а также от природы вещества. Одни материалы энергично притягивают своей поверхностью молекулы воды, и их называют гидрофильными, другие отталкивают воду, и их относят к гидрофобным. Отдельные гидрофильные материалы способны растворяться в воде, тогда как гидрофобные стойко сопротивляются действию водной среды. При прочих равных условиях гигроскопичность материала зависит от его природы, величины поверхности, структуры (поры и капилляры). Материалы с одинаковой пористостью, но имеющие более мелкие поры и капилляры, оказываются более гигроскопичными, чем крупнопористые материалы.

Водопоглощение — способность материала впитывать и удерживать воду. Характеризуется оно количеством воды, поглощаемой сухим материалом, погруженным полностью в воду, и выражается в процентах от массы.

Водопоглощение всегда меньше истинной пористости, так как часть пор оказывается закрытой, не сообщающейся с окружающей средой и недоступной для воды. Объемное водопоглощение всегда меньше 100%, а водопоглощение по массе у очень пористых материалов может быть более 100%.

Водопоглощение строительных материалов изменяется главным образом в зависимости от объема пор, их вида и размеров. Влияют на величину водопоглощения и природа вещества, степень гидрофильное его.

В результате насыщения водой свойства материалов значительно изменяются: увеличиваются плотность и теплопроводность, а в некоторых материалах (древесине, глине) увеличивается объем (они разбухают), понижается прочность вследствие нарушения связей между частицами материала проникающими молекулами воды.

Отношение предела прочности при сжатии материала, насыщенного водой, к пределу прочности при сжатии материала в сухом состоянии называется коэффициентом размягчении.
Этот коэффициент характеризует водостойкость материала. Для легкоразмокаемых материалов (глина) Кразм = 0, для материалов (металл, стекло), которые полностью сохраняют свою прочность при действии воды, Кразм = 1. Материалы с Кразм > 0,8 относят к водостойким материалы с Кразм < 0,8 в местах, подверженных систематическому увлажнению, применять не разрешается.

Влагоотдача — способность материала отдавать влагу. Материалы, находясь на воздухе, сохраняют свою влажность только при условии определенной, так называемой равновесной относительной влажности воздуха. Если же последняя оказывается ниже этой равновесной влажности, то материал начинает отдавать влагу в окружающую среду (высушиваться). Скорость влагоотдачи зависит, во-первых, от разности между влажностью материала и относительной влажностью воздуха — чем она больше, тем интенсивнее происходит высушивание; во-вторых, на влагоотдачу влияют свойства самого материала, характер его пористости, природа вещества. Материалы с крупными порами и гидрофобные легче отдают воду, чем мелкопористые и гидрофильные.

В естественных условиях влагоотдача строительных материалов характеризуется интенсивностью потери влаги при относительной влажности воздуха 60% и температуре 20°С.
В воздухе в естественных условиях всегда содержится влага. Поэтому влажный материал высушивается при этих условиях не полностью, а только до влажности, называемой равновесной. Состояние материала при этом является воздушно-сухим. Древесина в комнатных условиях, где относительная влажность не превышает 60%, имеет влажность 8...10%, наружные стены зданий— 4...6%. С изменением относительной влажности воздуха изменяется и влажность материалов (если последние гидрофильные).

Воздухостойкость — способность материала длительно выдерживать многократное систематическое увлажнение и высушивание без значительных деформаций и потери механической прочности. Материалы по-разному ведут себя по отношению к действию переменной влажности: разбухают при увлажнении, дают усадку при последующем высыхании, иногда возникает и коробление материала. Систематическое увлажнение и высушивание вызывают знакопеременные напряжения в материале строительных конструкций и со временем приводят к потере ими несущей способности (разрушению). Бетон в таких условиях склонен к разрушению, так как при высыхании цементный камень сжимается, а заполнитель практически не реагирует; в результате в цементном камне возникают растягивающие напряжения, он сжимается и отрывается от заполнителя. Древесина при изменении влажности подвергается знакопеременным деформациям. Повысить воздухостойкость материалов можно путем введения гидрофобных добавок, придающих материалу водоотталкивающие свойства.

Водопроницаемость — способность материала пропускать воду под давлением. Водопроницаемость характеризуется количеством воды, прошедшей в течение 1 ч через 1 м 2 площади испытуемого материала при давлении 1 МПа. Плотные материалы (сталь, стекло, битум, большинство пластмасс) водонепроницаемы.

Морозостойкость — способность насыщенного водой материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного снижения прочности. Систематические наблюдения показали, что многие материалы в условиях попеременного насыщения водой и замораживания постепенно разрушаются. Разрушение происходит в связи с тем, что вода, находящаяся в порах материала, при замерзании увеличивается в объеме примерно до 9%. Наибольшее расширение воды при переходе в лед наблюдается при температуре —4°С; дальнейшее понижение температуры не вызывает увеличения объема льда. При заполнении пор водой и ее замерзании стенки пор начинают испытывать значительные напряжения и могут разрушаться. Определение степени морозостойкости материала производят путем замораживания насыщенных водой образцов при температуре от — 15 до —17°С и последующего их оттаивания. Такую низкую температуру опыта принимают по той причине, что вода в тонких капиллярах замерзает только при —10 °С.

Морозостойкость материала зависит от плотности и степени насыщения водой их пор. Плотные материалы морозостойки. Из пористых материалов морозостойкостью обладают только такие, у которых имеются в основном закрытые поры или вода занимает менее 90% объема пор. Материал считают морозостойким, если после установленного числа циклов замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии прочность его снизилась не более чем на 15%, а потери в массе в результате выкрашивания не превышали 5%. Если образцы после замораживания не имеют следов разрушения, то степень морозостойкости устанавливают по коэффициенту морозостойкости.

Для морозостойких материалов Kf не должен быть менее 0,75. По числу выдерживаемых циклов попеременного замораживания и оттаивания (степени морозостойкости) материалы имеют марки F 10, 15; 25, 35, 50, 100, 150, 200 и более.

В лабораторных условиях замораживание образцов производят в холодильных камерах. Один — два цикла замораживания в камере дают эффект, близкий к (3...5)-годичному действию атмосферы. Существует также ускоренный метод испытания, по которому образцы погружают в насыщенный раствор сернокислого натрия и затем высушивают при температуре 100...110°С. Образующиеся при этом в порах камня кристаллы десятиводного сульфата натрия (со значительным увеличением объема) давят на стенки пор еще сильнее, чем вода при замерзании. Такое испытание является особо жестким. Один цикл испытания в растворе сернокислого натрия приравнивается к 5... 10 и даже 20 циклам прямых испытаний замораживанием.

Теплопроводность — свойство материала пропускать тепло через свою толщину. Теплопроводность материала оценивают количеством тепла, проходящим через образец материала толщиной 1 м, площадью 1 м 2 за 1 ч при разности температур на противоположных плоскопараллельных поверхностях образца в 1°С. Теплопроводность материала зависит от многих факторов: природы материала, его структуры, степени пористости, характера пор, влажности и средней температуры, при которой происходит передача тепла. Материалы с закрытыми порами менее теплопроводны, нежели материалы с сообщающимися порами. Мелкопористые материалы имеют меньшую теплопроводность, чем крупнопористые. Это объясняется тем, что в крупных и сообщающихся порах возникает движение воздуха, сопровождающееся переносом тепла. Теплопроводность однородного материала зависит от плотности. Так, с уменьшением плотности материала теплопроводность уменьшается, и наоборот. Общей зависимости между плотностью материала и теплопроводностью не установлено, однако для некоторых материалов, имеющих влажность 1...7% по объему, такая зависимость наблюдается.

На теплопроводность значительное влияние оказывает влажность. Влажные материалы более теплопроводны, нежели сухие. Объясняется это тем, что теплопроводность воды в 25 раз выше теплопроводности воздуха.

Теплопроводность характеризует теплофизические свойства материалов, определяя их принадлежность к классу теплоизоляционных (А — до 0,082; Б — 0,082...0,116 и т. д.), конструкционно-теплоизоляционных и конструкционных (более 0,210).

Теплопроводность материала можно также характеризовать термическим сопротивлением, величиной, обратной теплопроводности.

Теплопроводность имеет очень важное значение для материалов, используемых в качестве стен и перекрытий отапливаемых зданий, для изоляции холодильников и различных тепловых агрегатов (котлов, теплосетей и т. п.). От величины теплопроводности непосредственно зависят затраты на отопление зданий, что особенно важно при оценке экономической эффективности ограждающих конструкций жилых домов и др.

Термическое сопротивление — важная характеристика наружных ограждающих конструкций; от нее зависят толщина наружных стен и затраты на отопление зданий.

Теплоемкость — свойство материала поглощать при нагревании тепло. Характеризуется теплоемкость удельной теплоемкостью.

Удельная теплоемкость стали составляет 460, каменных материалов — 755...925; тяжелого бетона — 800...900; лесных материалов — 2380...2720. Теплоемкость материала имеет важное значение в тех случаях, когда необходимо учитывать аккумуляцию тепла, например при расчете теплоустойчивости стен и перекрытий отапливаемых зданий, с целью сохранения температуры в помещении без резких колебаний при изменении теплового режима, при расчете подогрева материала для зимних бетонных работ, при расчете печей и т. д.

Огнестойкость — способность материала выдерживать действие высокой температуры без потери несущей способности (большого снижения прочности и значительных деформаций).

Это свойство важно при пожарах, а так как в процессе тушения пожаров применяют воду, то при оценке степени огнестойкости материала действие высокой температуры сочетают с действием воды.

Строительные материалы по огнестойкости делят на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Несгораемые материалы под воздействием высокой температуры или огня не тлеют и не обугливаются (природные и искусственные неорганические материалы, металлы). Однако одни из этих материалов под воздействием высокой температуры не растрескиваются и не деформируются, например керамический кирпич, а другие, в частности сталь, подвержены значительным деформациям. Поэтому стальные конструкции не могут быть отнесены к огнестойким. Трудносгораемые материалы под воздействием огня или высоких температур обугливаются, тлеют или с трудом воспламеняются, но продолжают гореть или тлеть только при наличии огня (древесина, пропитанная огнезащитными составами). Сгораемые материалы горят и тлеют под воздействием огня или высоких температур и продолжают гореть после устранения огня (все органические материалы, не подвергнутые пропитке огнезащитными составами).

Огнеупорность — свойство материала противостоять длительному воздействию высоких температур не деформируясь и не расплавляясь. Материалы по степени огнеупорности подразделяют на огнеупорные, тугоплавкие и легкоплавкие. К огнеупорным относят материалы, выдерживающие продолжительное воздействие температуры от 1580°С и выше. Тугоплавкие выдерживают температуру 1350...1580°С, а легкоплавкие имеют огнеупорность ниже 1350°С.

Термическая стойкость материала характеризуется его способностью выдерживать определенное количество циклов резких тепловых изменений без разрушения. Термическая стойкость зависит от степени однородности материала, температурного коэффициента расширения составляющих его частей. Чем меньше коэффициент температурного расширения, тем выше термическая стойкость материала. К термически нестойким материалам можно отнести стекло, гранит.

Радиационная стойкость — свойство материала сохранять свою структуру и физико-механические характеристики после воздействия ионизирующих излучений. Развитие атомной энергетики и широкое использование источников ионизирующих излучений в различных отраслях народного хозяйства вызывают необходимость оценки радиационной стойкости и защитных свойств материалов. Уровни радиации вокруг современных источников ионизирующих излучений настолько велики, что может произойти глубокое изменение структуры материала. Поток радиоактивного излучения при встрече с конструкциями из данного материала может поглощаться в разной степени в зависимости от толщины ограждения, вида излучения и природы вещества защиты. Для защиты от нейтронного потока применяют материалы, содержащие в большом количестве связанную воду; от у-излучений — материалы с большой плотностью (свинец, особо тяжелый бетон). Связанную воду содержат гидратиро-ванные бетоны, лимонитовая руда (водный оксид железа) и др. Уменьшить интенсивность проникания нейтронного излучения через бетон можно путем введения в него специальных добавок (бора, кадмия, лития).

Химическая стойкость — способность материала сопротивляться воздействию кислот, щелочей, растворов солей и газов.

Наиболее часто подвергаются действию агрессивных жидкостей и газов санитарно-технические сооружения, канализационные трубы, животноводческие помещения, гидротехнические сооружения (находящиеся в морской воде, имеющей большое количество растворенных солей). Не способны сопротивляться действию даже слабых кислот карбонатные природные каменные материалы — известняк, мрамор и доломит; не стоек к действию концентрированных растворов щелочей битум. Наиболее стойкими материалами по отношению к действию кислот и щелочей являются керамические материалы и изделия, а также многие изделия на основе пластмасс.

Долговечность — способность материала сопротивляться комплексному действию атмосферных и других факторов в условиях эксплуатации. Такими факторами могут быть: изменение температуры и влажности, действие различных газов, находящихся в воздухе, или растворов солей, находящихся в воде, совместное действие воды и мороза, солнечных лучей. При этом потеря материалом механических свойств может происходить в результате нарушения сплошности структуры (образования трещин), обменных реакций с веществами внешней среды, а также в результате изменения состояний вещества (изменения кристаллической решетки, перекристаллизации, перехода из аморфного в кристаллическое состояние). Процесс постепенного изменения (ухудшения) свойств материалов в эксплуатационных условиях иногда называют старением.

Долговечность и химическая стойкость материалов непосредственно связаны с величиной затрат на эксплуатацию зданий и сооружений. Повышение долговечности и химической стойкости строительных материалов является наиболее актуальной задачей в техническом и экономическом отношениях.

Механические свойства

Механические свойства характеризуются способностью материала сопротивляться всем видам внешних воздействий с приложением силы. По совокупности признаков различают прочность материала при сжатии, изгибе, ударе, кручении и т. д., твердость, пластичность, упругость, истираемость.

Прочность — свойство материала сопротивляться разрушению под действием напряжений, возникающих от нагрузки. Изучением этого свойства материалов занимается специальная наука — сопротивление материалов. Ниже излагаются общие понятия о прочности материалов, необходимые для изучения основных свойств строительных материалов.

Материалы, находясь в сооружении, могут испытывать различные нагрузки. Наиболее характерными для строительных конструкций являются сжатие, растяжение, изгиб и удар. Каменные материалы (гранит, бетон) хорошо сопротивляются сжатию и намного хуже (в 5...50 раз) — растяжению, изгибу, удару, поэтому каменные материалы используют главным образом в конструкциях, работающих на сжатие. Такие материалы, как металл и древесина, хорошо работают на сжатие, изгиб и растяжение, поэтому их используют в конструкциях, испытывающих эти нагрузки.

Прочность строительных материалов характеризуется пределом прочности.

Пределом прочности (Па) называют напряжение, соответствующее нагрузке, вызывающей разрушение образца материала. Предел прочности при сжатии различных материалов 0,5... 1000 МПа и более. Прочность на сжатие определяют испытанием образцов на механических или гидравлических прессах. Для этой цели применяют специально изготовленные образцы, формы куба со стороной 2...30 см. Из более однородных материалов образцы делают меньших размеров, а из менее однородных — больших размеров. Иногда на сжатие испытывают образцы, имеющие форму цилиндров или призм. При испытании на растяжение металлов применяют образцы в виде круглых стержней или полос; при испытании на растяжение вяжущих веществ используют образцы в виде восьмерок.

Для определения предела прочности образцы изготовляют в соответствии с указаниями ГОСТов. Размеры и форму образцов строго выдерживают, так как они существенно влияют на результат испытания. Так, призмы и цилиндры меньше сопротивляются сжатию, чем кубы того же поперечного сечения; наоборот, низкие призмы (высота меньше стороны) больше сопротивляются сжатию, чем кубы. Это объясняется тем, что при сжатии образца плиты пресса плотно прижимаются к опорным плоскостям его и возникающие силы трения удерживают от расширения прилегающие поверхности образца, а боковые центральные части образца испытывают поперечное расширение, которое удерживается только силами сцепления между частицами. Поэтому чем дальше находится сечение образца от плит пресса, тем легче происходит разрушение в этом сечении и образца в целом. По этой же причине при испытании хрупких материалов (камня, бетона, кирпича и т. п.) образуется характерная форма разрушения — образец превращается в две усеченные пирамиды, сложенные вершинами.

На прочность материала оказывают влияние не только форма и размер образца, но и характер его поверхности и скорость приложения нагрузки. Поэтому для получения сравнимых результатов нужно придерживаться стандартных методов испытания, установленных для данного материала. Прочность зависит также от структуры материала, его плотности (пористости), влажности, направления приложения нагрузки. На изгиб испытывают образцы в виде балочек, расположенных на двух опорах и нагруженных одним или двумя сосредоточенными грузами, увеличиваемыми до тех пор, пока балочки не разрушатся.

В материалах конструкций допускаются напряжения, составляющие только часть предела прочности, таким образом, создается запас прочности. При установлении величины запаса прочности учитывают неоднородность материала — чем менее однороден материал, тем выше должен быть запас прочности.

При установлении коэффициента запаса прочности важными являются агрессивность эксплуатационной среды и характер приложения нагрузки. Агрессивная среда и знакопеременные нагрузки, вызывающие усталость материала, требуют более высокого коэффициента запаса прочности. Запас прочности, обеспечивающий сохранность и долговечность конструкций зданий и сооружений, устанавливают нормами проектирования и определяют видом и качеством материала, условиями работы и классом здания по долговечности, а также специальными технико-экономическими расчетами.

За последние годы в практику строительства внедряются новые методы контроля прочности, позволяющие испытывать без разрушения образцы или отдельные элементы конструкций. Этими методами можно испытывать изделия и конструкции при их изготовлении на заводах и строительных объектах, а также после установки их в зданиях и сооружениях.

Известны акустические методы, из которых наибольшее распространение получили импульсный и резонансный. Указанным методам присуще общее основное положение, а именно: физические свойства материала или изделия оцениваются по косвенным показателям — скорости распространения ультразвука или времени распространения волны удара, а также частотой собственных колебаний материала и характеристикой их затухания.

Твердость — способность материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Твердость не всегда соответствует прочности материала. Для определения твердости существует несколько методов.

Твердость каменных материалов оценивают по шкале Мооса, состоящей из десяти минералов, расположенных по степени возрастания их твердости. Показатель твердости испытуемого материала находится между показателями твердости двух соседних минералов, из которых один чертит, а другой чертится этим материалом. Твердость металлов и пластмасс определяют вдавливанием стального шарика. От твердости материалов зависит их истираемость. Это свойство материала важно при обработке, а также при использовании его для полов, дорожных покрытий.

Истираемость материала характеризуется потерей первоначальной массы, отнесенной к 1 м 2 площади истирания. Сопротивление истиранию определяют для материалов, предназначенных для полов, дорожных покрытий, лестничных ступеней и др.

Износом называют разрушение материала при совместном действии истирания и удара. Прочность при износе оценивается потерей в массе, выраженной в процентах. Износу подвергают материалы для дорожных покрытий и балласта железных дорог.

Сопротивление удару имеет большое значение для материалов, применяемых в полах и дорожных покрытиях. Предел прочности материала при ударе (Дж/м 3) характеризуется количеством работы, затраченной на разрушение образца, отнесенной к единице объема материала. Испытание материалов на удар производят на специальном приборе — копре.

Деформация — изменение размеров и формы материалов под нагрузкой. Если после снятия нагрузки образец материала восстанавливает свои размеры и форму, то деформацию называют упругой, если же он частично или полностью сохраняет изменение формы после снятия нагрузки, то такую деформацию называют пластической.

Упругость — свойство материала восстанавливать после снятия нагрузки свою первоначальную форму и размеры. Пределом упругости считают напряжение, при котором остаточные деформации впервые достигают некоторой очень малой величины (устанавливаемой техническими условиями на данный материал).

Пластичность — свойство материала изменять свою форму под нагрузкой без появления трещин (без нарушения сплошности) и сохранять эту форму после снятия нагрузки. Все материалы делятся на пластичные и хрупкие. К пластичным материалам относят сталь, медь, глиняное тесто, нагретый битум и т. п. Хрупкие материалы разрушаются внезапно без значительной деформации. К ним относят каменные материалы. Хрупкие материалы хорошо сопротивляются только сжатию и плохо — растяжению, изгибу, удару.