Кольцов Общие свойства 10

где l – длина трещины, идущей с поверхности; R – радиус острия кончика трещины. R не зависит от l и имеет величину, сравнимую с атомными размерами.

Глава 2. Механические свойства строительных материалов

Совершенно хрупкие материалы трещиностойки лишь при очень малых напряжениях. Большее сопротивление появлению трещин оказывают вязкие материалы. История техники – это во многом история борьбы с распространением трещин или попыток избежать их появления. Наиболее очевидный способ – не дать трещине развиваться в хрупком материале, используемом только при передаче на него сжимающей нагрузки (в каменной кладке, бетоне железобетонной конструкции).

Дело в том, что сжимающие напряжения, в отличие от растягивающих, могутпередаватьсячерезтрещины. Приэтомконцентрациинапряжений не возникает, поэтомухрупкие материалы имеют прочность при сжатии, значительно превышающую прочность при растяжении.

Каменная кладка и бетон чрезвычайно эффективны, однако они обладают известными недостатками. В целях повышения трещиностойкости бетона предложено предварительное напряженное армирование стальными высокопрочными стержнями. В этом случае в таком железобетоне хрупкий компонент – бетон, который находится в состоянии сжатия растянутыми стальными стержнями – арматурой.

Поверхность раздела как тормоз для трещин

Примером эффективности сочетания двух хрупких тел, сообщающих конструкционномуматериалувязкие свойства, является стеклопластик. Стекло и пластик являются хрупкими материалами, однако когда они вместе объединены, получается вязкий материал.

Следует иметь в виду, что хрупкость – не особое состояние. Она является нормальным состоянием многих твердых тел. Вязкость присущаболее сложнымтвердымтелам, при этомвязкие материалычасто содержат в своем объеме некоторые границы раздела.

Многие из таких материалов образованы из двух или более составляющих– изволоконсмолы.Установлено, что независимоотформы трещины и способа ее нагружения отношение максимального параллельногонапряжениякмаксимальномуперпендикулярномунапряжению есть величина постоянная и равная 1/5.

Еслипрочность поверхностираздела больше1/5отобщей прочности сцепления материалов, то эта поверхность не разрушится, трещина пересечет ее и поведение материала не изменится. Если прочность на границе раздела меньше 1/5 от прочности сцепления, тогда граница

А. И. Кольцов, В. В. Нестеренко. Общие свойства строительных материалов

эта будет разрушена прежде, чем образуется главная трещина, так как возникает «ловушка», которая остановит распространение трещины.

В качестве примера рассмотрим свойства армированного относительно хрупкого материала. Еще в древнем Вавилоне использовали тростник для армирования построек из высушенной глины, а различныеварианты(«плетенкииглины»)издавнаприменялисьвовсеммире.

Другим примером повышения вязкости разрушения является поведение искусственных конгломератов – растворов и бетонов. У них прочность на границе раздела цементный камень – заполнитель меньше 1/5 их прочности сцепления. Таким образом, на пути распространения трещины возникает «ловушка» и ее продвижение тормозится.

Важно отметить, что повышение вязкости разрушения не всегда коррелируется с повышением прочности. В предыдущем случае прочность раствора меньше, чем прочность цементного камня, а трещиностойкость, т. е. вязкость разрушения, выше.

Строгоговоря, поведение конструкционныхматериалов с трещинами изучает механика разрушений. Такие дефекты в материалах возникаютлибо впроцессеизготовления,либоприэксплуатации. Вмеханике разрушений критерием вязкохрупкого разрушения является величина критического коэффициента интенсивности напряжений KC . Физический смысл KC сводится к следующему: чем больше его значе1- ние, тем при бóльших1 напряжении и длине трещина начинает развиваться, т. е. тем лучше материал сопротивляется разрушению.

2.3. Твердость и истираемость материалов

Твердость – свойство материала сопротивляться прониканию в него другого, более твердого, тела.

Твердость пластичных материалов, в частности металлов, наиболее часто определяют путем вдавливания в образец малодеформирующихсятел,изготовленныхввидешарика,конусаилипирамиды.Вэтом случае твердость характеризует свойство материала сопротивляться пластической деформации на поверхности образца.

Известенрядспособовопределениятвердостиматериаловпосредством вдавливания твердого наконечника, например метод Бринелля. По этому методу в поверхность испытуемого образца вдавливается при заданной нагрузке шарик определенного диаметра из закаленной

Глава 2. Механические свойства строительных материалов

хромистой стали. По результатам испытаний вычисляют число твердости НВ:

где P – нагрузканашарик, кгс (Н);F –площадь поверхности отпечатка, мм2; D – диаметр шарика, мм;d – диаметр отпечатка, мм.

Твердость хрупких материалов, например минералов или мономинеральных пород, можно характеризовать по условной десятибалльной шкале Мооса, в которой в качестве эталонов принята твердость следующих 10 минералов, расположенных по возрастающей твердости: 1 – талька; 2 – гипса; 3 – кальцита; 4 – флюорита; 5 – апатита; 6 – ортоклаза; 7 – кварца; 8 – топаза; 9 – корунда; 10 – алмаза.

Испытуемый материал имеет число твердости между эталонными минералами шкалы Мооса, из которых один чертит данный материал, а другой сам чертится испытуемым материалом.

Чем выше твердость материалов, тем больше сопротивление истиранию. Сопротивление материала истиранию определяют на специальных машинах (круги истирания) и выражают потерей массы образца, отнесенной к площади истирания. Истираемость И, г/см2, вычисляют по формуле

где m1 и m2 – масса образца до и после испытания, г; F – площадь истирания, см2.

2.4. Прочность материалов при ударе

Динамической, или ударной, прочностью материала называютего способность сопротивляться разрушению при ударных нагрузках.

Динамическую прочность α (кгс м/см2 (Дж/м2)) чаще всего определяют ударными испытаниями на изгиб на маятниковых копрах и называют удельной вязкостью. Последнюю вычисляют по формуле

А. И. Кольцов, В. В. Нестеренко. Общие свойства строительных материалов

Глава3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕСВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Дисперсность – характеристика размеров твердых частиц и капель жидкости. Многие строительные материалы: минеральные вяжущие, глины, цементы и другие – находятся в тонкоизмельченном (дисперсном) состоянии и обладают большой суммарной поверхностью частиц. Степень раздробленностиматериала иразвитости его поверхности характеризуется удельной поверхностьюSуд единицы объема, см2/см3, или массы, см2/г, материала. С увеличением удельной поверхности вещества возрастает его химическая активность. Например, цемент с удельной поверхностью 3000–3500 см2/г через сутки твердения связывает 10–13 % воды, а с удельной поверхностью 4500–5000 см2/г – около 18 %.

Адгезия – свойство одного материала прилипать к поверхности другого материала. Адгезия двух различных материалов зависит от природы материала, формы исостояния поверхности, условий контакта и т. д. Она появляется и развивается в результате сложных поверхностных явлений, возникающих на границе раздела фаз, и характеризуется прочностью сцепления при отрыве одного материала от другого. Важное значение адгезионные свойства имеют при получении композиционных материалов (бетонов, клееных изделий, отделочных материалов); они характеризуются сопротивлением сдвигу или отрыву одного материала от другого. Например, адгезия битумно-натрие- войкомпозицииприотрывеотбетоннойповерхностисоставляет0,5МПа. Адгезия к бетону холодной асфальтовой мастики ИИ-20 при 20 °С – 0,23 МПа, а при предварительной огрунтовке пастой – 0,43 МПа.

Многие строительные материалы в процессе их изготовления и применения проходят пластично-вязкое состояние. По своим физи- ческимсвойствампластично-вязкиетелазанимаютпромежуточноепо- ложениемеждужидкимии твердымителами. Пластично-вязкиесмеси характеризуются реологическими показателями: структурной прочностью, вязкостью, тиксотропией.

Структурная прочность – прочность внутренних связей между частицами материала. Ее оценивают предельным напряжением сдви-

А. И. Кольцов, В. В. Нестеренко. Общие свойства строительных материалов

га, соответствующим напряжению в материале, при котором он начинает течь подобно жидкости. Это происходит тогда, когда в материале нарушаютсявнутренние связимеждуегочастицами–разрушаетсяего структура.

Тиксотропия–свойствопластично-вязкихсмесейобратимовос- станавливатьсвоюструктуру,разрушеннуюмеханическимивоздействиями. Физическая основа тиксотропии – разрушение структурных связей внутри пластично-вязкого материала; при этом материал теряет структурную прочность и превращается в вязкую жидкость, а после прекращения механического воздействия снова обретает структурную прочность. Явление тиксотропии используют при виброуплотнении бетонных и растворных смесей, при нанесении мастичных и окрасочных составов шпателем или кистью.

Вязкость – свойство материала поглощать механическую энергию при его деформировании. Когда пластично-вязкий материал начинаеттечь, напряжение в материале зависит уже отскорости его деформации.Коэффициентпропорциональностиη, Па с,связывающийскорость деформации и необходимое для этого напряжение, называют вязкостью.

Химическая стойкость – свойство материалов сопротивляться разрушительному влиянию щелочей, кислот, растворенных в воде солей и газов. Большинство строительных материалов не обладает стойкостью к действию кислот и щелочей.

Материалы в строительныхконструкциях очень часто испытывают воздействие агрессивных жидкостей и газов. Например, сточные воды, проходящие по канализационным системам, могут содержать свободные кислоты и щелочи, разрушающие поверхность железобетонных и металлических труб. Известняки, мраморы, доломиты относительно быстро разрушаются под действием кислот; многие виды цементовслабопротивостоятдействиюкислот;битумыспособныразрушаться под действием концентрированных растворов щелочей.

Некоторыестроительныеизделияобладаютвысокойсопротивляемостьюдействиющелочейикислот(керамическиематериалысплотным черепком – облицовочные плитки, плитки для полов, канализационные трубы, стекло), воздействию кислот и растворов солей (пластмассы на основе полиэтилена, полистирола, поливинилхлорида). Углеродистые стали, чугуны, гранит, каменное литье из базальта, шла-

Глава 3. Физико-химические свойства строительных материалов

коситаллы отличаются высокой кислотостойкостью, хромоникелевые стали, латуни (никелевые), бетоны на глиноземистом цементе – щелочестойкостью.

Агрессивная внешняя среда (пресная и морская вода, минерализованная грунтовая вода, дождевая вода с растворенными кислыми газами, представляющими собой отходы промышленных производств автомобильного транспорта), вступая в химическое взаимодействие, может вызвать разрушение (коррозию) материала и снизить его прочность.

Коррозионная стойкость зависит от химического состава материала и пористости, определяющих условия взаимодействия с агрессивной средой. Если в составе преобладает кремнезем (диоксид кремния), то материал обычно стоек к кислотам, но взаимодействует со щелочами. Если больше основныхоксидов (СаО и др.), то материал нестоекк кислотам,нощелочаминеразрушается.Материалынаосновеорганическихвяжущихвеществ(битумные, дегтевые, полимерные) изменяют свои свойства вследствие физико-химических превращений под действием природных факторов: кислорода воздуха, ультрафиолетового излучения, повышенной температуры. Этот процесс носит название «старение» и проявляется в повышении хрупкости, снижении прочности, потере гидрофобности. Прозрачные полимерные материалы со временем мутнеют.

Коррозионная стойкость – свойство материала сопротивляться коррозии, т. е. разрушению, вызванномудействием внешней агрессивной среды. Коррозия бывает химической (в результате воздействия пресной и морской воды) и электрохимической (в результате воздействия растворителей, кислот, щелочей).

Коррозии подвергаются многие строительные материалы: металлы, бетон, горные породы. (Под влиянием химического воздействия воды горные породы и каменные материалы постепенно растворяются; коррозия бетона происходит из-за разрушения цементного камня от действия пресных, минерализованных вод.)

Материалы, отличающиеся коррозионной стойкостью в различных агрессивных средах, называют коррозионно-стойкими. Это керамическиематериалысплотнымчерепком,стекло, асбесты,легированные стали, сплавы титана и алюминия, многие пластмассы и др.

Биологическаястойкость–свойствоматериаловсопротивлять- ся влиянию процессов жизнедеятельности бактерий и других живых

А. И. Кольцов, В. В. Нестеренко. Общие свойства строительных материалов

организмов (биологической коррозии). Большинство строительных материалов: металлы и их сплавы, каменные и другие неорганические материалы, пластмассы – практически биостойкие; но и они подвержены воздействию некоторых бактерий. Материалы органического происхождения:древесина,войлок,некоторыепластмассыидр.–име- ют низкую биологическую стойкость. Биокоррозии подвержены некоторые пластмассы, битумы, изменение структуры и химического состава которыхвызваноагрессивным воздействиемсолнечногооблучения, кислорода воздуха, повышенных или пониженных температур и приводит к старению.

Технологические свойства характеризуют способность материала к восприятиюнекоторыхтехнологических операций, изменяющих состояние материала и структуру его поверхности. Такие технологические свойства, как дробимость, шлифуемость, гвоздимость и т. д., имеют немаловажное практическое значение, так как от них зависит качество готовых изделий и конструкций. Для оценки технологических свойств некоторых материалов, например подвижности и удобоукладываемости бетона, укрывистости красочных составов и др., разработаны числовые показатели и методы их определения. Для большинства же материалов установлены лишь качественные характеристики технологических свойств.

Глава 4. ДОЛГОВЕЧНОСТЬ И НАДЕЖНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

При технико-экономической оценке используемых материалов в конструкциях, принятой технологии их изготовления необходимо иметь представление не только о конкретных их свойствах, но и их влиянии на поведение изделий и конструкций под совокупным действием природных и эксплуатационных факторов. Такую оценку возможно провести по следующим показателям: долговечность, надежность, безотказность, ремонтопригодность, сохраняемость.

Долговечностьюназываютспособностьматериаласопротивляться комплексному действию атмосферных и других факторов в условиях эксплуатации. На долговечность строительного сооружения непосредственноевлияниеимеютизменениетемпературыивлажности,действие различных газов, находящихся в воздухе, или растворов солей, находящихся в воде, совместное действие воды и мороза, солнечных лучей и т. п. Потеря материалом своих свойств может происходить в результате изменения структуры (образование трещин), изменения состояния строительного материала (изменение кристаллической решетки, переход из аморфного в кристаллическое состояние). Процесс ухудшения свойств материалов в эксплуатационных условиях называется старением. Долговечность и химическая стойкость строительных материалов впроцессе эксплуатации непосредственно связаныс величиной затрат на эксплуатацию здания, а также со своевременным проведениемремонтныхивосстановительныхработ.Долговечностьстроительных изделий измеряют обычно сроком службы без потери эксплуатационныхкачестввконкретныхклиматическихусловияхврежиме эксплуатации. Долговечность определяется совокупностью физических, механических и химических свойств материала.

Надежность представляет собой общее свойство, характеризующее проявление всех остальных свойств изделия в процессе эксплуатации. Надежность – это совокупность таких свойств, как долговечность, безотказность, ремонтопригодность и сохраняемость.

Безотказность–свойство изделиясохранять работоспособность в заданных режимах и условиях эксплуатации в течение определенно-

А. И. Кольцов, В. В. Нестеренко. Общие свойства строительных материалов

го времени без вынужденных перерывов на ремонт. К показателям безотказности относят вероятность безотказной работы.

Отказом называют событие, при котором система, элемент или изделие полностью или частично теряют работоспособность. Потеря работоспособности вызывается такой неисправностью, при которой хотя бы один из основных параметров выходит за пределы установленных допусков.

Ремонтопригодность – свойство изделия, характеризующее его приспособленностьк восстановлениюнеисправности, сохранениюзаданной технической характеристики в результате предупреждения, выявления и устранения отказов. Этот показатель определяется среднимвременемремонтана одинотказданного вида,атакже трудоемкостью и стоимостью его устранения.

Сохраняемость – свойство изделия сохранять обусловленные эксплуатационныепоказателивтечениеипослесрокахраненияитранспортирования, установленного технической документацией. Сохраняемость количественно оценивают временем хранения и транспортирования до возникновения неисправности.

Для успешной сдачи коллоквиума (написания контрольной работы) по теме «Общие свойства строительных материалов» настоятельно рекомендуется подготовить ответы на приведенные далее вопросы для самопроверки, а также решить предложенные варианты задач.

Вопросы для самопроверки

1.Дать определение, указать размерность, формулы (при необходимости), а также методики определения следующих свойств материалов:

• средняя плотность;

• истинная плотность;

• насыпная плотность;

• пустотность;

• пористость (истинная, открытая, закрытая);

• влажность;

• гигроскопичность (сорбционная влажность);

• капиллярное всасывание;

• водопоглощение;

• водостойкость;

• водонепроницаемость;

• морозостойкость;

• теплопроводность;

• термическое сопротивление;

• горючесть;

• теплоемкость;

• огнестойкость;

• огнеупорность;

• прочность, предел прочности;

• истираемость;

• твердость;

• коэффициент конструктивного качества.

2.По какой методике определяется средняя плотность пористых образцов неправильной формы?

3.На какие свойства строительных материалов оказывает влияние пористость?

4.Какипочемуразмеристепеньзамкнутостипорвлияютнасвойства строительных материалов?

5.На какие свойства и как влияет увлажнение материала?

А. И. Кольцов, В. В. Нестеренко. Общие свойства строительных материалов

6.По какой методике определяется морозостойкость материалов без замораживания и оттаивания?

7.Какипочемувеличинатеплоемкостистеновогоматериалавлияет на качество ограждения и микроклимат помещения?

8.Какие факторы влияют на теплопроводность материала?

9.Чем отличается огнеупорность от огнестойкости?

10.В чем состоит различие между прочностью и твердостью?

11.Как и почему размер образцов влияет на их прочность?

12.Чем отличается характер разрушения хрупкого материала от характера разрушения пластичного материала при сжатии и растяжении?

13.Как силы трения между опорами пресса и поверхностью образцов влияютна характер разрушения хрупкихи пластичных материалов при сжатии?

14.Какоесвойствоматериалаявляетсяопределяющимвегостойкости к воздействию истирания и износа?

Задачи по теме

Задача № 1

Масса сухого образца камня (неправильной формы) на воздухе равна 80 г. После нанесения на поверхность камня защитного слоя парафина масса его в воде стала 37 г. Определить среднюю плотность камня, если на парафинирование образца израсходовано 0,75 г парафина с истинной плотностью 900 кг/м3; плотность воды принять равной 1000 кг/м3.

Задача № 2

Цилиндрический образец горной породы диаметром 5 см и высотой 5 см весит в сухом состоянии 245 г. После насыщения водой его вес увеличился до 249 г. Определить среднюю плотность камня, его водопоглощение по массе и по объему.

Задача № 3

Масса образца из природного каменного материала в сухом состоянии равна 50 г. Определить истинную плотность и массу образца после насыщения водой, если известно, что водопоглощение образца по объему составляет 18 %, пористость – 25 %, а средняя плотность – 1800 кг/м3.

Задача № 4

Масса сухого образца из ракушечника равна 240 г. После насыщения его водой масса образца увеличилась до 270 г. Определить пористостьимассовоеводопоглощениеракушечника,еслиистиннаяплотность его равна 2400 кг/м3, а объем образца составляет 150 см3.

А. И. Кольцов, В. В. Нестеренко. Общие свойства строительных материалов

1,2 и 2,6 г/см3, насыпная плотность – 600 и 1540 кг/м3. Определить пустотность керамзитового и природного гравия. Для решения задачи выбирать только необходимые данные из условия задачи.

Задача № 16

Масса образцов гранита и мрамора до испытания на истираемость составляла160,55и150,45г,послеиспытания–158,05и134,05гсоответ- ственно. Площадь поверхности истирания образцов – 15,64 и 15,25 см2. Рассчитать истираемость и объяснить причину различной истираемости гранита и мрамора.

Задача № 17

Материал имеет истинную плотность 2,5 г/см3, среднюю плотность – 1800 кг/м3 и обладает водопоглощением по массе, равным 8 %. Какова закрытая пористость материала?

Задача № 18

Масса образца горной породы, насыщенного водой, составляет 56 г. Определить среднюю плотность и пористость (истинную, открытую, закрытую) породы, если ее истинная плотность равна 2,5 г/см3, объемное водопоглощение – 18 %, а масса образца в сухом состоянии – 50,2 г.

Задача № 19

Литровыйсосуд заполненсухимсыпучим пористымматериалом, имеющим насыпную плотность 500 кг/м3. Какая доля объема сосуда приходится на твердое вещество материала, если его истинная плотность составляет 2,6 г/см3?

Задача № 20

Рассчитать коэффициент конструктивного качества материала, если при испытании на прочность при сжатии сухого образца материала размером 15×15×15 см и массой 7,9 кг разрушающая нагрузка составила 56,5 т.

Задачи по теме

Задача № 21

Определитьпустотностьщебня,еслиплотностьегозеренсоставляет2,56 г/см3, а насыпная плотность – 1450 кг/м3. 10 л данного щебня перемешали с 4,5 л песка, имеющего пустотность 38 %. Какова будет пустотность полученной смеси?

Задача № 22

При растяжении стального стержня длиной 100 мм и площадью поперечного сечения 200 мм2 абсолютная длина равна 0,0125 мм при действующей нагрузке 500 кг. Определить относительное удлинение, величину напряжения и модуль упругости стали.

Задача № 23

Масса образца древесины в естественном состоянии равна 8,5 г, а после высушивания до постоянной массы – 5,7 г. Определить влажность древесины.

Задача № 24

Пенобетон в виде образца-куба с ребром 7 см в воздушно-сухом состоянии имеет массу 254 г. Вычислить ориентировочную теплопроводность материала.

Задача № 25

Определить ориентировочный коэффициент теплопроводности материала, имеющего среднюю плотность 1200 кг/м3.

Задача № 26

Каменный материал в виде образца-цилиндра диаметром и высотой 7 см в воздушно-сухом состоянии имеет массу 500 г. Определить коэффициент теплопроводности материала.

А. И. Кольцов, В. В. Нестеренко. Общие свойства строительных материалов

Задача № 27

Определитьпределпрочностиприсжатиибетонногообразца-куба с ребром 15 см, разрушившегося при усилии 56 250 кгс.

Задача № 28

Определить, во сколько раз коэффициент теплопроводности тяжелого бетона (средняя плотность бетона – 2300 кг/м3)больше, чем кирпича (средняя плотность кирпича – 1800 кг/м3).

Задача № 29

Бетонный кубик с ребром 10 см, имеющий массу 2,3 кг, разрушился при показании манометра 2,65 МПа; площадь поршня пресса – 1000 см2. Определить среднююплотность бетона и его предел прочности при сжатии.

Задача № 30

Определить коэффициент размягчения камня, если при испытании образца в сухом состоянии на сжатие показание манометра пресса было равно 68,5 МПа, тогда как такой же образец в водонасыщенном состоянии разрушился при 54,0 МПа.

Задача № 31

Разрушающаянагрузка прииспытаниина сжатие образца-кубика строительного гипса с ребром 7 см составила 45 Н в сухом состоянии, а после насыщения водой – 18 Н. Рассчитать коэффициент размягчения и определить, является ли материал водостойким.

Задача № 32

Кубометр древесины имеет массу 500 кг. Определить коэффициент конструктивного качества, если известно, что предел прочности древесины при сжатии равен 42,0 МПа.

Задачи по теме

Задача № 33

Определить коэффициент конструктивного качества образцакубика из природного каменного материала с ребром 5 см, имеющего массу 56 г, если он разрушился при нагрузке 5000 Н.

Задача № 34

Предел прочности при сжатии известняка-ракушечника в сухом состоянии равен 8,4 МПа, а коэффициент размягчения – 0,84. Какой прочностью обладает ракушечник в насыщенном водой состоянии?

Задача № 35

Кубик из мелкозернистого бетона с ребром 7 см и весом 1070 г испытываетсяна истираемость. После1000 оборотовкруга вес кубика стал равным 1020 г. Определить показатель истираемости бетона.

Задача № 36

Масса образца в сухом состоянии равна 60 г. После насыщения образца водой его масса увеличилась до 70 г. Определить среднюю плотность и пористость камня, если водопоглощение по объему составляет 21 %, водопоглощение по массе – 15 %, а истинная плотность камня – 2400 кг/м3.

Задача № 37

Среднее значение предела прочности при сжатии образца камняпесчаника в сухом состоянии равно 148 МПа, а после насыщения во- дой–134МПа.Определитькоэффициентразмягченияпесчаникаидать заключение о водостойкости.

Задача № 38

Определитьобъемщебня,поступившеговполувагонегрузоподъемностью 60 т, если насыпная плотность щебня равна 1420 кг/м3.