Основные свойства строительных материалов.

Лекция № 1. Классификация, основные свойства строительных материалов и поведение их в условиях пожара

Лекция № 3. Требования пожарной безопасности к содержанию

Лекция № 1. Классификация, основные свойства строительных материалов и поведение их в условиях пожара

Основные свойства строительных материалов.

Основные свойства строительных материалов подразделяются на несколько групп: физические свойства – плотность, пористость, пустотность, гигроскопичность, водопоглощение, влагоотдача, влажность, воздухостойкость, водопроницаемость, морозостойкость, теплопроводность, теплоемкость, огнестойкость, проницаемость излучения ядерного распада; механические свойства – прочность, твердость, износ, сопротивление удару, долговечность; химическая стойкость.

Плотность – масса единицы объема вещества. Для определения плотности необходимо массу сухого материала m разделить на объем V, занимаемый материалом (без пор и пустот),

 

r= m/V (1.1)

 

Например: Плотность большинства строительных материалов больше единицы; исключение составляет древесина, некоторые пластмассы. Для каменных материалов она колеблется в пределах 2,2-3,3 г/см³, органических материалов (дерево, битумы, дегти, лаки, пластмассы) – 0,9-1,6 и для черных металлов (чугун, сталь)- 7,25-7,85 г/см³.

Объемная масса (средняя масса) – масса единицы объема материала в естественном состоянии. Объем материала V₁ устанавливают по внешним размерам образца или по объему вытесненной им жидкости. Объемную массу рассчитывают по формуле

 

r_o= m/V₁ (1.2)

 

Объемную массу рыхлых материалов (песка, щебня), определяют без вычета пустот между их частицами, называют насыпной объемной массой.

Объемная масса большинства материалов меньше плотности, например для глиняного кирпича она составляет в среднем 1,7 г/см³ при плотности около 2,5 г/см³. Только для так называемых абсолютно плотных материалов (стекло, металлы, жидкости) значения плотности и объемной массы совпадают.

В зависимости от плотности и пористости объемная масса строительных материалов изменяется от 20 кг/м³ для некоторых легчайших теплоизоляционных материалов до 7850 кг/м³ для сталей.

Увеличение влажности материала повышает его объемную массу.

Пористость – степень заполнения объема материалами порами. Измеряется, как правило, в процентах и рассчитывается по формуле

 

(1.3)

 

С пористостью связаны такие важные свойства строительных материалов, как прочность, водопоглощение, водопроницаемость, теплопроводность, морозостойкость, звукопроницаемость и др. Например: Материалы с высокой пористостью имеют невысокую прочность и не годятся, как правило, для изготовления несущих конструкций, а используются в основном как теплоизоляционные материалы. Пористость строительных материалов изменяется от 0 (сталь, стекло) до 85% (пенобетоны, поропласты).

Гигроскопичность – свойство материала поглощать водяные пары из воздуха и удерживать их вследствие капиллярной конденсации.

Теплофизические свойства.

Теплопроводность – способность материала пропускать через свою толщу тепловой поток, возникающий в следствие разности температур на обогреваемой и необогреваемой поверхностях.

Теплопроводность учитывается при выборе материалов для ограждающих конструкций здания (наружных стен, покрытий), предназначенных для сохранения тепла в помещениях, а также в расчетах конструкций на огнестойкость.

Теплопотери Q в течении времени t через однородную плоскую стенку при постоянной разности температур на ее поверхностях (t₁ - t₂) определяют по формуле

 

(1.4)

где l - коэффициент, Вт/(м´^ОС), F - площадь поверхности стенки, м², d - толщина стенки, м.

Из уравнения (1.4) следует

 

(1.5)

 

Численное значение коэффициента теплопроводности определяется при d=1 м, F=1 м², t₁-t₂=1 ^ОС, и t=1 ч. Оно равно количеству тепла в джоулях, проходящего через стенку толщиной 1 м, площадью 1 м², за 1 ч при разности температур на поверхности стенки в 1 ^ОС.

Теплопроводность зависит главным образом от пористости и структуры материала, но на нее могут оказывать влияние влажность и температура.

Так например: при увлажнении материала его теплопроводность увеличивается, так как коэффициент теплопроводности воды в 25 раз больше, чем у воздуха.

Теплопроводность материала зависит также от температуры, поэтому при расчете огнестойкости строительных конструкций учитывают изменение коэффициента теплопроводности при нарастании температуры.

Теплоемкость – способность материала поглощать при нагревании тепло. Теплоемкость характеризуется удельной теплоемкостью (коэффициентом теплоемкости), которая определяется количеством теплоты, необходимой для нагревания 1 кг материала на 1 ^ОС и определяется по формуле

 

(1.6)

 

Теплоемкость, как и теплопроводность, не является физической константой материала; она изменяется в зависимости от температуры.

Теплоемкость материала имеет важное в тех случаях, когда учитывают аккумуляцию тепла, например при расчете теплоустойчивости стен и перекрытий отапливаемых зданий, при расчете огнестойкости строительных конструкций.

Огнеупорность – способность материала противостоять, не деформируясь, длительному воздействию высоких температур.

Механические свойства.

Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться различным силовым воздействиям. К этим свойствам относятся: прочность, твердость, пластичность, упругость, истираемость.

Прочность – свойство материала сопротивляться разрушению под действием напряжения, возникающих от нагрузки. Прочность строительных материалов характеризуется пределом прочности. Пределом прочности называют напряжение, соответствующее нагрузке, вызывающей разрушение материала

 

R = ± (F/A) (1.7)

 

где F - разрушающая нагрузка, Н; А – площадь поперечного сечения образца до испытания, см², м². Знак плюс указывает на растяжение, знак минус на сжатие.

В конструкциях строительные материалы, подвергаясь различным нагрузкам, испытывают напряжение сжатия, растяжения, изгиба, среза. Природные камни, а также бетоны и кирпич хорошо сопротивляются сжатию, значительно хуже – срезу, а еще хуже растяжению. При растяжении они выдерживают нагрузку в 10-15 раз меньшую, чем при сжатии. Другие строительные материалы, такие, например, как древесина, сталь, хорошо работают как на растяжение, так и на растяжение.

Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него постороннего, более твердого тела.

Упругость – способность материла изменять форму под действием нагрузки и восстанавливать ее после снятия нагрузки.

Пластичность – способность материала изменять форму под действием нагрузки без образования трещин и сохранять ее после снятия нагрузки.

Истираемость – свойство материала уменьшаться в объеме и массе под действием истирающих усилий. На истираемость испытывают материалы, применяемые для устройства полов, лестничных ступеней, тротуаров. Истираемость материала (И, г/см²) можно рассчитать по формуле

 

И=(m-m₁)´A (1.8)

 

где m и m₁ – масса испытуемого образца до и после истирания, г; А – площадь истирания, см².

Химическая стойкость.

Химическая стойкость – свойство материала сопротивляться действию кислот, щелочей, растворенных в воде солей и газов. 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. К этим факторам можно отнести изменение температуры и влажности, действие различных газов и растворов солей, совместное действие воды и мороза, солнечных лучей. Долговечность материалов оказывает существенное влияние на величину эксплуатационных затрат на содержание зданий и сооружений.