Раздел 1. Основные свойства и оценка качества строительных материалов

Инженер-строитель должен уметь оценивать свойства строительных материалов с помощью числовых показателей и разбираться в методических принципах их определения. Свойство – это способность материала определенным образом реагировать на воздействие внешних или внутренних силовых, усадочных, тепловых и других факторов.

Основные свойства строительных материалов можно подразделить на физические, гидрофизические, механические, теплофизические и специальные.

 

Физические свойства.

К физическим свойствам относятся: истинная, средняя и насыпная средняя плотности, а также пористость.

Истинная плотность. Истинной плотностью r называется масса материала в единице объема в абсолютно плотном состоянии (1)

(1)

где r – истинная плотность, г/см³;

m – масса материала, г;

V_a – объем в абсолютно плотном состоянии, см³.

Средняя плотность. Средней плотностью r_о называется масса материала в единице объема в естественном состоянии (2)

(2)

где r_о – средняя плотность, г/см³;

m – масса материала, г;

V – объем в естественном состоянии, см³.

Насыпная средняя плотность. Насыпная средняя плотность – это средняя плотность рыхлых сыпучих материалов, определяемая без вычета пустот между их частицами (3)

(3)

где r_н – насыпная средняя плотность, г/см³;

m – масса материала, г;

V_н – объем в рыхло-сыпучем состоянии, см³.

Пористость. Пористостью называют отношение объема пор к общему объему материала (4)

(4)

где П – пористость,

V_п – объем пор,

V – общий объем материала.

Пористость может быть величиной безразмерной, или, при умножении на 100%, выражаться в процентах.

Поры – это мелкие ячейки в материале, заполненные воздухом или водой. Поры бывают открытые, сообщающиеся с окружающей средой, и замкнутые, с ней не сообщающиеся. По величине пористости можно приближенно судить о других важных свойствах материалов – плотности, прочности, водопоглощении, морозостойкости и др. Мелкие поры, заполненные воздухом, придают строительным материалам теплоизоляционные свойства. Пористость можно определить, зная истинную и среднюю плотности материалов (5).

(5)

Пористость строительных материалов колеблется в широких пределах: от 0 до 98%. Общая пористость складывается из открытой П_о и замкнутой П_з пористости (6).

(6)

Открытые поры увеличивают водопроницаемость и водопоглощение материала и ухудшают его морозостойкость. Открытую пористость можно определить по формуле 7

(7)

где м₂ и м₁ – масса образца в водонасыщенном и сухом состоянии, г;

r_в – плотность воды, г/см³,

V – объем в естественном состоянии, см³.

 

Гидрофизические свойства.

Водопоглощение. Водопоглощением называют способность материала впитывать и удерживать воду при непосредственном контакте с ней. Водопоглощение определяют по разности масс образца материала в насыщенном водой и в сухом состоянии, и выражают в % от массы сухого материала (водопоглощение по массе W_m) или в % от объема образца (водопоглощение по объему W_v). Весовое водопоглощение W_m определяется по формуле 8:

(8)

где m₂ – масса материала в водонасыщенном состоянии,г;

m₁ – масса материала в сухом состоянии, г.

Объемное водопоглощение W_v определяется по формуле 9:

 

∙ 100% (9)

где m₁ и m₂ - масса материала в сухом и водонасыщенном состоянии,

V ₀ – объем материала в естественном состоянии.

Водостойкость. Водостойкость – это способность материала при насыщении водой сохранять основные физико-механические свойства. Она характеризуется коэффициентом размягчения К_разм. (10), который представляет собой ношение предела прочности на сжатие водонасыщенного материала (R_cж. ^вод) к пределу прочности на сжатие сухого материала (R_сж^{. сух} _.).

(10)

При проектировании сооружений, подвергающихся воздействию воды, необходимо применять материалы с коэффициентом размягчения не ниже 0,8.

Причиной снижения прочности при увлажнении материала водой может быть:

1) наличие в материале растворимых веществ, вымываемых водой.

2) Если материал не содержит растворимых веществ, падение прочности

при увлажнении может быть связано с расклинивающим эффектом Ребиндера, связанным с расширением (расклиниванием) устьев микротрещин при проникании в них диполей воды.

Влажность. Влажностью называют весовое содержание воды в материале, выраженное в процентах.

Сорбционная влажность. Она характеризует способность материала поглощать пары воды из окружающего воздуха. Численно она равна влажности материала после окончания поглощения им водяного пара. С повышением давления пара (т.е. с увеличением относительной влажности воздуха при постоянной температуре) возрастает сорбционная влажность материала.

Водопроницаемость. Водопроницаемость – способность материала пропускать через себя воду под давлением. Характеристикой водопроницаемости служит количество воды, прошедшей в течение 1 часа через 1 см² поверхности материала при заданном давлении воды, которое устанавливается стандартом в зависимости от вида материала.

Водонепроницаемость. Водонепроницаемостью называется способность материала не пропускать воду под давлением. Степень водонепроницаемости материалов зависит от их плотности и строения. Особо плотные материалы водонепроницаемы, материалы с замкнутыми мелкими порами практически также водонепроницаемы. Чем больше открытых пор, тем более проницаем для воды материал. Водонепроницаемость оценивается маркой материала по водонепроницаемости W, обозначающей одностороннее гидростатическое давление, выраженное в МПа, при котором образец – цилиндр из испытуемого материала еще не пропускает воду. Строительные материалы имеют марки по водонепроницаемости W 0,2 – 1,2.

Морозостойкость. Морозостойкостью считают способность материала в водонасыщенном состоянии выдерживать многократное переменное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного снижения прочности. Количественно морозостойкость оценивается маркой материала по морозостойкости. За марку материала по морозостойкости Мрз или F принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают водонасыщенные образцы материала без снижения прочности при сжатии более 15%, и потери массы более 5%.

Разрушения в материале связаны с тем, что вода, находящаяся в его порах, при замерзании увеличивается в объеме более чем на 9 %. Определение степени морозостойкости материалов производится путем замораживания водонасыщенных образцов при t^o = (-15, -17)^о в течение нескольких часов и их последующего оттаивания при t^o более 15 ^о С. не менее 6 часов. По степени морозостойкости материалы подразделяются на марки F (или Мрз ): 10, 15, 25, 35, 50, 100, 150, 200, 300 и выше.

 

Механические свойства.

Прочность. Под прочностью понимают способность материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, возникающих от внешних нагрузок или других факторов (например давлении, изменении темпрературы). Прочность материалов оценивается пределом прочности R, определяемым при данном виде деформаций (сжатия, растяжения, изгиба, кручения и среза). Пределом прочности R называют напряжение, соответствующее нагрузке, вызывающей разрушение материала.

В зависимости от вида материала и действующей нагрузки, определяют предел прочности:

- при сжатии R_cж (для бетонов, строительных растворов, природного камня, древесины, кирпича, вяжущих веществ);

- при изгибе R_изг (для бетонов, строительных растворов, древесины, кирпича, вяжущих веществ);

- при растяжении R_раст (для бетона, железобетона, металлов).

Для хрупких материалов (природных камней, бетонов, строительных растворов, кирпича и др.) основной прочностной характеристикой является предел прочности при сжатии R_сж..

Предел прочности при сжатии R_cж. равен частному от деления разрушающей силы Р на первоначальную площадь поперечного сечения материала А (формула 12):

(12)

Предел прочности при сжатии определяют нагружением до разрушения испытуемых образцов на гидравлических прессах.

Строительные материалы часто испытывают на изгиб. При испытании на изгиб образцы в виде балочек или плит кладут на 2 опоры и нагружают одним (реже двумя) сосредоточенными грузами до разрушения (рис. 1).

Предел прочности при изгибе R_изг. определяют по формуле 13:

 

(13)

 

где Р – нагрузка, l – расстояние между опорами, b и h – ширина и высота образца.

Рисунок 1 – Схема нагружения образца при испытании на изгиб

 

Твердость. Твердостью называется способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Это свойство характеризует стойкость материалов к деформированию или разрушению при местном силовом воздействии. Количественно твердость оценивается различными методами. Например, твердость минералов оценивают шкалой Мооса, представленной десятью минералами, из которых каждый последующий своим острым концом царапает все предыдущие. Эта шкала включает минералы в порядке возрастающей твердости от 1 до 10 (от талька до алмаза).

Твердость древесины, металлов, бетона и других строительных материалов определяют, вдавливая в них стальной шарик, конус или пирамиду. В результате вычисляют число твердости H, являющееся функцией, обратно-пропорциональной площади отпечатка (14),

 

(14)

где А – площадь отпечатка.

Для металлов твердость определяют тремя методами - Бринелля, Роквелла и Виккерса.

Метод Бринелля. При стандартном определении твердости по Бринеллю стальной шарик диаметром D вдавливают в испытуемый образец под приложенной определенное время нагрузкой Р; после снятия нагрузки измеряют диаметр d оставшегося на поверхности образца отпечатка (рис. 2). Число твердости по Бринеллю определяют как отношение нагрузки к площади поверхности сферического отпечатка. Чем меньше отпечаток, тем больше твердость. Обозначают число твердости по Бринеллю НВ.

 

Рисунок 2 – Схема измерения твердости по Бринеллю

 

Метод Роквелла. При измерении твердости по методу Роквелла в поверхность материала вдавливают два индентора – алмазный или твердосплавный конус с углом 120^о (рис. 3) или стальной шарик диаметром 1,588 мм. Число твердости в условных единицах зависит от глубины вдавливания индентора. Обозначают твердость по Роквеллу НR c прибавлением буквы, обозначающей шкалу измерения, например, НRА, НRВ и НRС

 

Рисунок 3 – Схема измерения твердости по Роквеллу

 

 

Метод Виккерса. При стандартном измерении твердости по Виккерсу в поверхность образца вдавливают алмазный индентор в форме пирамиды. После удаления нагрузки измеряют диагональ отпечатка, оставшегося на поверхности образца (рис. 4). Число твердости HV определяют делением нагрузки на площадь боковой поверхности полученного отпечатка.

Рисунок 4 – Схема измерения твердости по Виккерсу

 

Истираемость. Истираемость И – свойство материала уменьшаться в объеме и массе вследствие разрушения поверхностного слоя под действием истирающих усилий. Она оценивается потерей массы образца, отнесенной к площади истирания (15)

(15)

где И – истираемость, г/ см².

m₁ – масса материала до испытания, г;

m₂ – масса материала после испытания, г;

А – площадь образца, см².

Упругость. Упругостью твердого тела называют его свойство деформироваться под влиянием нагрузки и самопроизвольно восстанавливать форму и размеры после прекращения действия внешних сил.

Пластичность. Пластичность – это свойство твердого тела изменять форму и размеры под действием внешних сил, не разрушаясь. После снятия нагрузки первоначальная форма и размеры тела не восстанавливаются.

 

Теплофизические свойства.

Теплопроводность. Теплопроводностью называют способность материалов передавать через свою толщину тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на поверхностях, ограничивающих материал.

Степень теплопроводности важно знать для материалов, используемых при устройстве ограждающих конструкций, т.е. стен, верхних перекрытий, полов в нижних этажах, и в особенности для теплоизоляционных материалов, назначение которых – способствовать сохранению тепла в помещениях и тепловых установках.

Степень теплопроводности различных строительных материалов характеризуется коэффициентом теплопроводности l (16). Он равен количеству тепла, в килокалориях (или джоулях), проходящего через стену толщиной 1 метр и площадью 1м² за 1 час при разности температур на двух противоположных поверхностях стены в 1^о.

 

(16)

где Q – количество тепла,

d – толщина стены,

t - время теплопередачи,

А – площадь стены,

t₂ и t₁ – температура на двух поверхностях стены.

Теплопроводность материала зависит от степени его пористости, характера пор, вида материала, влажности, средней плотности и других факторов. Сильное влияние на теплопроводность оказывает влажность материала, т.к. у воды l =0,59 Вт/м ^о С, а у воздуха l = 0,02 Вт/м ^о С. Поэтому поры, заполненные водой, гораздо легче проводят тепло, чем поры, заполненные воздухом. Величина пор материала также влияет на теплопроводность. Мелкопористые материалы менее теплопроводны, чем крупнопористые. Материалы с замкнутыми порами имеют меньшую теплопроводность, чем материалы с открытыми порами. Это объясняется тем, что в крупных сообщающихся порах возникает движение воздуха, сопровождающееся переносом тепла и повышением суммарного коэффициента теплопроводности.

Теплоемкость. Теплоемкостью называется свойство материалов поглощать определенное количество тепла при нагревании. Она характеризуется удельной теплоемкостью С (17)

(17)

где С – коэффициент теплоемкости,

Q – количество теплоты

m – масса материала

t₁ – температура, которую имел материал,

t₂ - температура, до которой нагревают материал.

Огнестойкость. Огнестойкость – свойство материала сопротивляться действию огня при пожаре в течение определенного времени. Она зависит от сгораемости материала, т.е. от его способности воспламеняться и гореть. По сгораемости материалы подразделяются на 3 группы.

Несгораемые материалы (бетон, кирпич, сталь и др.) под воздействием огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются. Некоторые материалы могут при пожаре могут растрескиваться или сильно деформироваться.

Трудносгораемые материалы (асфальтобетон, фибролит, пенопласты, пропитанная антипиренами древесина и др.) под воздействием огня или высокой температуры тлеют, но после прекращения действия огня их горение и тление затухает.

Сгораемые материалы (древесина) воспламеняются или тлеют под воздействием огня или высокой температуры и продолжают гореть или тлеть после удаления источника огня.

Огнеупорность. Огнеупорностью называют свойство материала противостоять длительному воздействию высоких температур, не расплавляясь.

Существуют три группы материалов по огнеупорности:

- огнеупорные, выдерживающие действие температур выше 1580 ^оС.

- тугоплавкие, выдерживающие температуры от 1350^о до 1580^оС.

- легкоплавкие, с огнеупорностью ниже 1350^оС.

 

Специальные свойства

Химическая или коррозионная стойкость. Химической или коррозионной стойкостью называется способность материала противостоять агрессивному воздействию кислот, щелочей, солей или газов.

Ориентировочно ее можно оценить модулем основности материала М_о, представляющем собой отношение основных оксидов к кислотным (18)

(18)

Если в материале содержатся в большем количестве основные оксиды, то материал стоек к щелочам, но не стоек к кислотам. Если в химическом составе материала преобладают кислотные оксиды, то материал стоек к кислотам, но не стоек к щелочам.

Биостойкость – способность материалов сохранять свою прочность при контакте с живыми организмами, т.е. не являться для них питательной средой.

Долговечность. Под долговечностью материалов понимают их способность длительно выдерживать воздействие всей суммы атмосферных факторов (температуры, влажности, воздействия агрессивных веществ и др.) Она оценивается сроком службы материала без потери эксплуатационных качеств в конкретных климатических условиях и в определенном режиме эксплуатации. Например, для железобетона нормами предусмотрены 3 степени долговечности: I – со сроком службы не менее 100 лет, II – не менее 50 лет, III – не менее 20 лет.

 

РАЗДЕЛ 2. ТЕМА 1.

ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

 

Природными каменными материалами называются материалы и изделия, получаемые механической обработкой (дроблением, раскалыванием, распиливанием и т.п.) горных пород.

Природный камень наряду с древесиной был первым строительным материалом, используемым человеком. Из глубины веков пришли памятники архитектуры, возведенные из природного камня: одно из древнейших сооружений Стоунхендж в Англии, пирамиды в Египте, храмы Древней Греции. Средневековые замки и храмы, построенные из природного камня, можно найти в каждой стране.

Природный камень, применяемый непосредственно как строительный материал, привлекает своей декоративностью и долговечностью.

В виде облицовки его применяли зодчие 18-19 веков, все царские палаты были облицованы родонитом, малахитом, привезенным с Урала. Высокая стойкость природных каменных материалов делает их незаменимыми для гидротехнических сооружений, дорожного и мостового строительства и во многих других случаях. Когда необходимо обеспечить высокую долговечность сооружения.

Пористые камни, такие, как ракушечник или вулканический туф, очень эффективны как местный материал для возведения стен, вместо кирпича и других искусственных стеновых материалов, так как энергозатраты на их добычу несравнимо меньше, чем обжиг кирпича или изготовление бетонных панелей и блоков (с учётом производства цемента и арматуры).

Также природные каменные материалы играют роль сырья: его применяют в керамики, при изготовлении стекла, при производстве портландцемента и других вяжущих. Огромное количество песка, гравия и щебня используется для приготовления бетонов и растворов как заполнителя.

Общая доля затрат в строительстве на эти материалы, называемые «нерудными материалами», превышает 20%.

Знакомство с природными каменными материалами целесообразно начинать с изучения свойств основных горных пород и минералов.

Горная порода – это природный минеральный агрегат, состоящий из одного минерала (мономинеральная порода) или из нескольких минералов (полиминеральная порода)

Минерал (от лат. minera – руда) - это физически и химически однородное вещество, образовавшееся вследствие сложных физико-механических процессов на поверхности и в глубинах земли.

В природе найдено более 3 тыс. минералов, но лишь немногие из них образуют крупные скопления; такие минералы называют породообразующими.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИРОДНЫХ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ.

Для того, чтобы легче разобраться в многообразии горных пород и выявить причины в различии их свойств, целесообразно воспользоваться классификацией горных пород, в основу которой положено их происхождение (генезис). Принципы такой классификации были предложены еще М.В. Ломоносовым, а в современном виде она была доработана российскими учёными Ф.Р. Левинсоном-Лессингом, А.П. Карпинским и др.

Генетическая классификация горных пород учитывает условия их образования, которые предопределяют строение и, следовательно, свойства пород. Природные каменные материалы по происхождению подразделяются на три группы.

 

Магматические	Осадочные	Метаморфические
Массивные	Обломочные	Хим-ие осадки	Органогенные отложения	Мех-ие осадки	Продукт перекристаллизации магмат. пород	Продукт перекристаллизации осадочных пород
Глубинные Гранит, сиенит, габбро	Излившиеся Порфир, базальт.	Вулканические пеплы, пемзы, туфы.	Гипс, известь.	Мел, ракушечник, диатомиты, трепелы, опоки.	Рыхлые Песок, гравий, глина Сцементированные Песчаник, конгломерат, брекчия	Гнейсы	Мрамор (из извести)

Магматические, образовавшиеся при кристаллизации природного силикатного расплава – магмы.(первичные породы, образующиеся при остывании магмы)

Осадочные, образовавшиеся в поверхностных условиях, из продуктов разрушения других пород.(вторичные породы, образовавшиеся в результате выветривания магматических пород)

Метаморфические, образовавшиеся из магматических или осадочных пород при изменение условий (давления, температуры в земной коре)

Глубинные породы характеризуются крупнокристаллической структурой, отсутствием пор, высокой прочностью, твёрдостью и морозостойкостью. В полированном виде глубинные породы очень декоративны. К ним относятся: граниты, сиениты, габбро и диориты.

 

ВИДЫ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ.

Области применения природного камня очень широки и виды каменных материалов можно разделить на две группы:

1. Материалы, не требующие обработки.

2. Материалы, требующие обработки.

Первая группа:

Песок – это рыхлая смесь зёрен, с размерами частиц 0,14 – 5 мм. Используется, как мелкий заполнитель для бетонов и растворов.

Гравий - это рыхлая сыпучая смесь зерён, с размерами частиц от 5 до 70мм. используется как крупный заполнитель для бетонов, асфальтобетонов, а также как фильтрующий материал для очистки воды при строительстве очистных станций. Бутовый камень – природные куски камня неправильной формы, получаемые взрывным методом (рваный бут), или плиты неправильной формы (постелистый бут или плитняк), получаемые выламыванием из слоистых пород. Используется для бутовой и бутобетонной кладки подвальных стен и стен не отапливаемых зданий.

Булыжный камень – используется для устройства верхний покрытий дорог IV-V категорий, оснований под дороги, откосов земляных сооружений, для мощения ж/д откосов и для берегоукрепительных работ. Сейчас применяют редко, так как это требует больших затрат ручного труда.

Вторая группа.

Облицовочные плиты, которые имеют различную фактуру:

· Фактуру «скалы» с крупными буграми и впадинами;

· Рельефную

· Пилёную;

· Шлифованную;

· Полированную.

Щебень – представляет собой кусковой материал неправильной формы, с размерами частиц от 5 до 70 мм, получаемый дроблением горных пород. Используется как заполнитель в тяжелых бетонах и асфальтобетоннах.

Механические свойства щебня оценивают по его дробимости, которая обозначается буквой Д_Р.

Черепица из кровельного сланца (месторождения в Эстонии близ Коклоярва)

Бортовые камни (бордюрные) – служащие для отделения проезжей части от тротуара, изготовляют главным образом из сиенита и гранита. Представляют собой прямоугольные парраллелипипеды длиной 1000…2000 мм, высотой 300-400 мм и шириной 100…200 мм.

Брусчатка – колотые или тесаные камни из изверженных или плотных осадочных пород, имеющую форму, близкую к кубу. Брусчатка – очень долговечное и декоративное покрытие улиц и площадей; в частности, брусчаткой вымощена Красная площадь в Москве.