строительные матерьялы

ческого или электронного микроскопа. Это позволяет детально рассмотреть взаимное расположение и облик мелких частиц, слагающих материал, который внешне выглядит однородным.

Наноструктура – это строение вещества на атомномолекулярном уровне. Изучается физическими методами спектрального анализа и электронной микроскопией высокого разрешения.

3.2. Основные свойства строительных материалов

Основными называют свойства материалов, которые необходимо учитывать при изготовлении изделий из них, при производстве строительных работ и эксплуатации материалов в зданиях и сооружениях.

В ходе изучения этой темы нужно усвоить четкое определение каждого свойства, знать способ его оценки, а также уяснить связь свойств с составом и строением материала. Важно выявить взаимосвязи между отдельными свойствами.

Основные свойства условно делят на три группы: физические, механические и химические. К физическим свойствам относятся структурные, гидрофизические и теплофизические.

Структурные свойства характеризуют особенности физического состояния материалов. К ним относятся средняя и истинная плотность и пористость.

Средняя плотность – масса материала, приходящаяся на единицу его объема в естественном состоянии.

m = m ,

V

где m – средняя плотность материала (кг/м3, г/см3); m – масса материала; V – объем материала в естественном состоянии, т.е. вместе с возможными порами, пустотами, трещинами.

Средняя плотность строительных материалов колеблется в очень широких пределах: от 10 кг/м3 (поропласты) до 7800 кг/м3

11

(сталь). Она зависит от вида структурообразующего вещества, пористости материала и его влажности.

Для сыпучих материалов используется термин насыпная плотность ( н) – отношение массы материала в насыпном состоянии к его объему. В величине насыпной плотности отражается наличие пустот между зернами материала.

Истинная плотность – масса материала, приходящаяся на единицу его объема в абсолютно плотном состоянии, то есть без пор и пустот.

= m ,

Va

где – истинная плотность материала (кг/м3; г/см3); m – масса материала; Va – его абсолютный объем, занятый только структурообразующим веществом.

Истинная плотность материалов зависит только от вида структурообразующего вещества. Истинная плотность каждого вещества – постоянная характеристика (физическая константа), зависящая от химического состава, молекулярной структуры, степени кристалличности, типа кристаллической решетки.

В некоторых случаях плотность материала относят к плотности воды, которая равна 1000 кг/м3, или 1 г/см3. Относительная плотность (d) – безразмерная величина.

Пористость – свойство материала иметь в своем объеме участки, не заполненные структурообразующим веществом. Пористость характеризуют как степень заполнения объема материала порами и выражают в процентах:

П = V Va 100 %,

V

где П – пористость материала; V – объем материала в естественном состоянии; Va – абсолютный объем материала.

Впрактических расчетах пользуются формулой:

П= ρ ρm 100%,

ρ

12

где и m – истинная и средняя плотность материала, соответственно.

Пористость строительных материалов колеблется в широких пределах: например, у оконного стекла 0 %, у пенополистирола 95 %.

Пористость – важнейшая характеристика, по которой можно прогнозировать многие эксплуатационные свойства строительных материалов. Но для этого не достаточно знать только степень заполнения объема материала порами. Нужно учитывать степень их изолированности в материале, форму, размеры.

Поры могут быть открытыми и закрытыми. Открытые поры сообщаются между собой и с окружающим пространством. В сухих условиях они заполнены воздухом, а во влажных – частично или полностью заполняются водой, что отрицательно сказывается на многих эксплуатационных свойствах материала. Закрытые поры изолированы, поэтомувсегда заполнены воздухом.

По форме поры различаются следующим образом:

–поры-полости,

–поры-ячейки,

–поры-капилляры.

Наиболее крупными являются поры-полости: их размер 10-1…10 мм. Размер пор-ячеек лежит в пределах от 10-3 мм до нескольких миллиметров. Поры-капилляры имеют диаметр 10-3 мм и меньше.

Гидрофизические свойства характеризуют отношение материала к действию воды и водяного пара.

Гигроскопичность – способность материала поглощать пары из воздуха. Этой способностью обладают гидрофильные материалы с капиллярно-пористой структурой и тонкодисперсные гидрофильные порошки. Снизить гигроскопичность материалов можно путем их обработки гидрофобизаторами.

Влажность – содержание влаги в материале, отнесенное к массе сухого материала и выраженное в процентах. Влажность

13

материала зависит не только от его гигроскопичности, но и от содержания влаги в окружающем пространстве. Влажность материалов влияет на их теплопроводность, стойкость к гниению и некоторые другие свойства. Влажность материала (W) определяют на опыте высушиванием опытных образцов до постоянной массы и рассчитывают по формуле:

W mвл mc 100 %, mc

где mвл и mс – масса образца до и после высушивания, соответственно.

Капиллярное всасывание – подъем воды по капилляр-

ным порам материала, когда часть конструкции соприкасается с водой. Это нежелательное явление, приводящее к пагубным последствиям. Поэтому капиллярно-пористые материалы с высокой интенсивностью всасывания не используют для устройства оснований и фундаментов ниже гидроизоляционного слоя.

Водопоглощение – свойство материала впитывать и удерживать жидкую воду при непосредственном контакте с ней. Различают водопоглощение по объему (Wо) и водопоглощение по

где mс – масса сухого образца (кг); mн – масса того же образца в водонасыщенном состоянии (кг); V – естественный объем сухого образца (м3); в – плотность воды (1000 кг/м3).

Водопоглощение зависит от открытой пористости. С некоторым приближением водопоглощение по объему можно приравнять к открытой пористости материала, имея в виду, что в

14

глубокие мелкие поры вода проникает не всегда.

Мерой оценки открытой пористости служит коэффициент насыщения пор водой (Кнас):

Кнас = Wо .

П

Коэффициент насыщения может меняться от 0 (все поры в материале закрытые) до 1 (все поры в материале открытые).

Водопоглощение отрицательно влияет на многие свойства материалов. Чтобы уменьшить водопоглощение, пользуются разными технологическими приемами, которые сводятся к уменьшению открытой пористости материала.

Водостойкость – свойство материала не снижать прочности при переходе из сухого состояния в водонасыщенное. Количественной характеристикой водостойкости служит коэффициент размягчения (Кразм.):

Кразм = Rн ,

Rс

где Rс– предел прочности при сжатии сухого материала; Rн – предел прочности при сжатии того же материала в насыщенном водой состоянии.

Коэффициент размягчения может принимать значения от 0 до 1. Материал считается водостойким, если Кразм 0,8. Чтобы повысить водостойкость материалов, нужно воспрепятствовать проникновению в них воды: избавиться, по возможности, от открытых пор, отработать гидрофобизаторами, создать на поверхности материала защитное водонепроницаемое покрытие.

Водопроницаемость – свойство материала пропускать воду под давлением.

Морозостойкость – способность насыщенного водой материала выдерживать многократные попеременные замораживания и оттаивание без признаков разрушения и без значительного снижения прочности.

Количественной характеристикой этого свойства является

15

марка морозостойкости, которая состоит из буквенного обозначения F (от Freese – замерзать) и числового показателя: 10; 15; 25; 35; 50; 100; 150; 200 и более.

Число показывает количество циклов попеременного за- мораживания-оттаивания, которое способен выдержать материал, насыщенный водой.

Причина разрушения материалов состоит в следующем. Вода, попавшая в открытые поры, при замерзании расширяется, давит на стенки пор и создает в материале растягивающие напряжения. При оттаивании эти напряжения частично снимаются, а при повторном замораживании возникают вновь. В итоге происходит усталостное разрушение материала. Чтобы получить материалы с высокой маркой по морозостойкости, следует уменьшить их водопоглощение.

Число циклов, которые должен выдерживать материал, зависит от условий его будущей службы в сооружении, климатических условий и указывается в нормативных документах.

Теплофизические свойства характеризуют отношение материала к постоянному или переменному тепловому воздействию.

Теплопроводность – способность материала передавать сквозь свою толщу тепло от более нагретых участков к менее нагретым. Количественной мерой служит коэффициент теплопроводности (λ). Он показывает, какое количество тепла передает образец материала площадью 1 м2 и толщиной 1 м при разности температур 1 К на горячей и холодной сторонах материала. Теплопроводность материала зависит от его вещественного состава и структуры, степени и характера пористости, влажности и температуры, при которых происходит передача теплоты. С увеличением пористости теплопроводность материала снижается, так как в порах находится воздух, а он плохой проводник тепла. При увлажнении материала его теплопроводность возрастает.

Коэффициент теплопроводности природных и искусственных каменных материалов можно приближенно рассчитать

16

по эмпирической формуле, предложенной В.П. Некрасовым

= 1,16 0,0196 0,22d2 0,16,

где d – средняя плотность материала относительно воды. Коэффициент теплопроводности материалов учитывается

при теплотехнических расчетах толщины стен (δ) отапливаемых зданий, в зависимости от заданного термического сопротивления (R)

R = δ .

λ

Теплоемкость – способность материала аккумулировать подводимое к нему тепло; характеризуется величиной удельной теплоемкости – количеством теплоты, которое необходимо для нагревания одного килограмма материала, чтобы повысить его температуру на один градус. Теплоемкость зависит от внутреннего строения веществ: от числа атомов в молекулах, от массы атомов и силы связи между ними.

Материалы с высокой теплоемкостью при охлаждении выделяют большое количество теплоты в окружающее пространство. Их применение для стен, пола позволяет сохранять в помещении устойчивый температурный режим. Эффективным материалом можно считать древесину – она имеет высокую теплоемкость при малой теплопроводности.

Температурное расширение – способность материала увеличиваться в размерах при нагревании. Характеризуется коэффициентом линейного расширения α (1/К), который показывает относительное увеличение линейных размеров материала при увеличении его температуры на один градус:

где 1 и 2 – длина образца материала при температурах t2 и t1, соответственно.

Коэффициенты линейного расширения плотно совмещае-

17

мых материалов должны быть близкими по величине, в противном случае могут возникнуть термические напряжения и разрушение в месте контакта.

Огнестойкость – свойство материала сопротивляться эпизодическому действию огня; измеряется в часах работы материала в условиях пожара. В зависимости от степени огнестойкости материалы разделяют на сгораемые, трудносгораемые и несгораемые.

Для повышения огнестойкости производят обработку материалов антипиренами – веществами, которые при высоких температурах выделяют газообразные продукты, не поддерживающие горение.

Огнеупорность – свойство материала противостоять длительному воздействию высоких температур, не разрушаясь и не деформируясь. Критерий огнеупорности – температура, при которой наблюдается деформация. По огнеупорности материалы делят на легкоплавкие, тугоплавкие, огнеупорные, высокоогнеупорные. Огнеупорность учитывают при выборе материалов для футеровки промышленных печей, дымовых труб.

Механические свойства характеризуют поведение материала под действием внешних механических нагрузок.

Подробно механические свойства материалов изучаются в курсе сопротивления материалов.

Деформации (искажения) – изменения размеров и формы материала без его разрушения в результате внешних воздействий. Деформация называется упругой, если она исчезает сразу после прекращения воздействия нагрузки. Деформация называется эластической, если исчезает в течение более или менее длительного периода времени. Таким образом, упругие и эластические деформации являются обратимыми: материал восстанавливает свои исходные размеры и форму после прекращения внешних воздействий.

Деформация называется пластической, если она не исчезает после прекращения воздействия нагрузки. Таким образом,

18

пластические деформации необратимы: материал не восстанавливает исходные размеры и форму, а сохраняет те, которые приобрел под действием внешних нагрузок.

Хрупкость – свойство материала разрушаться под действием нагрузки без заметной пластической деформации. Хрупкость характеризует склонность материала к образованию трещин, которая особенно ярко проявляется при воздействии ударных нагрузок. К хрупким материалам следует отнести цементобетон, керамику, природный камень. Но даже такие материалы, как битумы, полимеры, сталь при достаточно низких температурах способны переходить в хрупкое состояние.

Прочность – свойство материала сопротивляться внутренним напряжениям, которые возникают в нем под действием внешних механических нагрузок. Максимальное напряжение, после которого наступает разрушение материала, называется пределом прочности.

Прочность – ведущий показатель качества конструкционных материалов, так как в сооружениях они постоянно подвергаются действию сжимающих, растягивающих, изгибающих и других нагрузок. Есть материалы, которые одинаково хорошо работают на все виды нагрузки: например, сталь имеет близкие значения прочности при сжатии и растяжении.

Волокнистая структура обеспечивает повышение прочности на растяжение. Например, прочность древесины при растяжении вдоль волокон вдвое больше, чем прочность при сжатии. Аналогично древесине ведут себя стеклопластики – пластмассы, армированные стекловолокном.

Хрупкие материалы работают на растяжение значительно хуже, чем на сжатие из-за склонности к образованию трещин. Например, прочность цементобетона при сжатии 8…10 раз больше, чем при изгибе.

Предел прочности при осевом сжатии Rсж (МПа) определяют испытанием опытных образцов под прессом, доводя их до разрушения, и рассчитывают по формуле

19

P Rcж F ,

где P – разрушающая нагрузка (Н); F – площадь поперечного сечения образца (м2).

P A S ,

где А – показание манометра пресса, S – площадь поршня пресса.

Предел прочности при осевом изгибе Rизг (МПа) определяют испытанием опытных призматических образцов на двух опорах и рассчитывают по формуле

3 Рl Rизг 2 bh2 ,

где P – разрушающая нагрузка; l – расстояние между опорами; b и h – ширина и толщина образца, соответственно.

Строительные материалы в большинстве своем неоднородны, поэтому предел прочности определяют как средний результат испытания серии образцов. Образцы для испытания должны иметь строго определенные размеры и форму, в соответствии с требованиями стандарта. Регламентируется стандартом и скорость нагружения образца при испытаниях: если нагрузка возрастает слишком быстро, то образец покажет завышенный результат предела прочности, поскольку в нем не успевают развиваться внутренние напряжения.

По прочности строительным материалам назначают марки и классы. Марка это условный (округленный) показатель предела прочности стандартных образцов материала.

Прочность материалов зависит от их химической природы: типа химической связи, межатомных расстояний, типа кристаллической решетки. Однако более значительное влияние на реальную прочность материалов оказывает наличие в них макро- и микродефектов, степень неоднородности. В материалах конгломератного типа прочность во многом зависит от силы сцепления между компонентами. Увеличение пористости мате-

20