close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Kuksa Klassif i sv-va

код для вставкиСкачать
П. Б. КУКСА
КЛАССИФИКАЦИИ И СВОЙСТВА
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
П. Б. КУКСА
КЛАССИФИКАЦИИ И СВОЙСТВА
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2016
0
1
УДК 691 (075.8)
Введение
Рецензенты: д-р техн. наук, профессор Л. Ю. Матвеева
(ФГПУ «НИИСК»);
д-р техн. наук, профессор А. М. Харитонов (СПбГАСУ)
Кукса, П. Б.
Классификации и свойства строительных материалов: учеб. пособие / П. Б. Кукса; СПбГАСУ. – СПб., 2016. – 54 с.
ISBN 978-5-9227-0684-1
Приведены некоторые классификации строительных материалов, показывающие их многообразие. Рассмотрены основные свойства строительных материалов, характеризующие их агрегатное состояние, структурные
особенности, отношение материалов к действию влаги, звуковой энергии,
положительной и отрицательной температуры, а также к действию внешних
сил. Изложены некоторые методики оценки свойств, приведены формулы
для расчета их числовых показателей. Показана взаимосвязь различных
свойств, а также зависимость свойств от состава и структуры материала.
Приведены примеры использования полученных знаний в строительной
практике.
Предназначено для студентов направления подготовки 08.03.01 «Строительство» всех форм обучения.
Табл. 4. Ил. 7. Библиогр.: 6 назв.
Рекомендовано Редакционно-издательским советом СПбГАСУ в качестве учебного пособия.
ISBN 978-5-9227-0684-1
© П. Б. Кукса, 2016
© Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет, 2016
2
Первым разделом курса «Строительные материалы» является
раздел «Свойства строительных материалов». Знание свойств
и классификаций материалов необходимо студенту для успешного
освоения всего курса и других смежных дисциплин. Проектировщик и строитель применяют эти знания для правильного и обоснованного выбора материалов и изделий в реальных проектах. Таким
образом, полученные знания имеют фундаментальный характер.
Свойства всех строительных материалов тесно связаны с их
составом и строением (структурой), свойства отдельного материала
взаимосвязаны. Знание таких связей позволяет профессионально
характеризовать тот или иной материал. Эти знания студенты
получают в процессе изучения полного курса «Строительные материалы».
Большинство свойств строительных материалов характеризуют числовыми показателями, которые устанавливают путем проведения испытаний. Для получения сопоставимых результатов необходимо применять единообразные методики испытаний. Такие методики стандартизованы и подробно описаны в соответствующих
нормативных документах (ГОСТах, технических условиях).
О качестве материала судят по комплексу его свойств. Именно
комплекс свойств должен удовлетворять требуемым условиям применения и эксплуатации материала. По комплексу свойств или по
числовому значению одного, важнейшего свойств,а строительному
материалу или изделию присваивается класс, марка, сорт. Эти показатели имеют не только техническое, но и экономическое значение: чем выше класс, марка, сорт, тем выше показатели технических свойств, тем выше стоимость.
Для характеристики строительных материалов и изделий,
а также их компонентов используется огромное количество
свойств. В данном учебном пособии рассмотрены только основные,
наиболее часто применяемые свойства. Многие другие свойства
изучаются в разделах курса, посвященных конкретному материалу.
3
КЛАССИФИКАЦИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В строительстве применяется множество материалов. Многообразие строительных материалов предполагает наличие у них специфических, отличных от других, признаков. Но в то же время
многие материалы обладают одинаковыми или похожими признаками, по которым их объединяют в классы, группы, подгруппы. Так
составляются классификации1. Любую классификацию можно уподобить дереву, ствол которого соответствует общему признаку, ветви
– частным признакам, мелкие ветки – более частным, а листья – совсем частным признакам. Каждая классификация строительных материалов проводится с определенной целью и помогает определенной группе специалистов решать конкретные технические, технологические, экономические, научные задачи. Учебную задачу –
получение общих представлений о строительных материалах – студенты могут решить, изучая некоторые их классификации.
Строительные материалы классифицируют по различным признакам. Например, по происхождению: природные (естественные)
и искусственные. Природные материалы не подвергаются глубокой переработке и используются в первозданном виде, сохраняя
свои достоинства и недостатки. Наибольшее применение в строительстве получили такие естественные материалы, как древесина
и горные породы. Искусственные материалы получают по заводским технологиям, предусматривающим глубокую переработку исходного сырья. В процессе производства материалу придаются необходимые строительные свойства. Большинство строительных материалов являются искусственными. К ним относятся кирпич,
стекло, вяжущие вещества, бетоны и др.
Одной из простых является классификация строительных материалов по их химической природе (химическому составу). В соответствии с ней все строительные материалы разделяются на три
класса: металлы, органические материалы, неорганические (минеральные) материалы.
1
Классификация (от лат. classis – разряд + facere – делать) – распределение
предметов, явлений и понятий по классам в зависимости от их общих признаков.
4
Химическая природа металлов заключается в том, что они
состоят или из одного конкретного химического элемента таблицы
Д. И. Менделеева, или нескольких элементов-металлов, часто
с примесью заметного количества некоторых элементовнеметаллов. Такие вещества называются металлическими сплавами. Причем сплавы, резко отличаясь по свойствам от чистых металлов, представляют наибольшую техническую ценность. Металлы и сплавы отличаются от других строительных материалов также
тем, что не содержат в своем составе кислорода – самого распространенного на Земле химического элемента.
Все металлы делят на две группы: черные металлы и цветные
металлы. Первые имеют темно-серый цвет, вторые – светлую
окраску. Черные металлы строительного назначения – это чугуны
и стали. Главным химическим элементом в чугунах и сталях является железо. Из цветных металлов в строительстве наибольшее
применение получили алюминиевые сплавы. Реже применяются
сплавы на основе меди, цинка.
Органические материалы, как и металлы, обладают сравнительно простым химическим составом. Их химическую основу составляют многочисленные соединения углерода с водородом. Присутствие углерода в составе органических материалов является
непременным условием. Этот факт объединяет все органические
материалы в отдельный класс. В то же время в углеродноводородных комбинациях могут присутствовать другие элементынеметаллы: кислород, азот, сера, кремний, фосфор, хлор, фтор. Такие элементы активно участвуют в формировании технических
свойств материалов, часто придавая им необходимое потребительское качество.
Органические материалы могут быть природными и искусственными. Среди природных органических материалов общеизвестной и широко используемой в строительстве является древесина лесных пород. В группу искусственных органических материалов входят полимерные и битумные материалы.
Неорганические материалы, являясь самым представительным классом строительных материалов, имеют весьма сложный
химический состав с большим числом химических элементов таблицы Д. И. Менделеева, причем в этом многообразии элементов
главное место занимает кислород. Остальные элементы (кремний,
5
алюминий, железо, кальций, магний, водород и т. д.) взаимодействуют между собой в виде оксидов, образуя и простые, и очень
сложные химические комплексы. В конечном счете свойства неорганических материалов определяются как взаимным соотношением,
так и взаимным расположением в пространстве оксидов различных
элементов.
Природные неорганические (минеральные) материалы представляют собой различные горные породы, добываемые в земной
коре. Горные породы применяются в строительстве как самостоятельно (стеновые камни, опорные конструкции, тротуарные камни
и плиты, облицовочные плиты и т. д.), так и в качестве сырьевых
материалов для производства искусственных неорганических материалов.
Искусственные неорганические материалы имеют наибольшее
число наименований и составляют наибольшую долю в современном строительстве. К ним относятся строительная керамика и строительное стекло, вяжущие вещества, бетоны и строительные растворы, сухие строительные смеси, материалы для теплоизоляции,
акустические материалы.
Разделение строительных материалов по химическому составу
на три рассмотренных класса не всегда можно обнаружить в строительной практике. Дело в том, что отдельные «чистые» материалы
часто не обладают требуемыми для конкретных условий эксплуатации свойствами. Такие «неудовлетворительные свойства» можно
исправить. Это достигается комбинированием различных по химическому составу материалов.
Например, если бетон (неорганический материал) скомбинировать со стальной арматурой (металлом), то получится новый материал, обладающий высокой трещиностойкостью и хорошим сопротивлением изгибающим и растягивающим нагрузкам. Такой металлонеорганический материал носит общепринятое название –
железобетон. Если в битум (органический материал) добавить
в тонкоизмельченном виде известняк, доломит, кирпич, цемент и т. д.
(неорганические материалы), то полученный органоминеральный
материал – битумная мастика – будет отличаться лучшей стойкостью при повышенных и пониженных температурах. Примеров подобного рода существует много.
Таким образом, нам ясно, что не существует четких границ
между строительными материалами разных классов. Наоборот,
границы размыты составляющими значительную долю комбинированными материалами, которые часто в равной степени можно отнести к любому из классов. И все же для простоты и удобства, когда в комбинации один из компонентов является преобладающим,
комбинированный материал относят к классу этого компонента.
В связи с этим упомянутые выше железобетон и битумную мастику
можно отнести соответственно к неорганическим (минеральным)
и органическим материалам.
Информативным и полезным для изучения является разделение строительных материалов на следующие группы:
• природные каменные материалы (горные породы) – материалы, добываемые в земной коре и используемые самостоятельно (мраморные ступени лестниц) или в качестве сырья (глина для
производства керамики);
• строительная керамика – изделия, получаемые из глинистого сырья (кирпич, черепица);
• строительное стекло – изделия, применяемые в светопрозрачных или архитектурно-художественных конструкциях
(оконное стекло, стеклянная мозаика);
• неорганические (минеральные) вяжущие вещества – материалы, применяемые для получения композитов (цементы, гипсовые вяжущие);
• бетоны и строительные растворы – композиционные
материалы, получаемые с применением вяжущих веществ;
• древесина – материал, получаемый из стволов лесных деревьев (бревна, доски, бруски);
• металлы – продукты металлургического процесса (колонны, балки, ограждения);
• битумы и материалы на их основе – один из многочисленных продуктов переработки нефти (кровельный рубероид, асфальт);
• теплоизоляционные и акустические материалы – материалы, сохраняющие тепло в помещении, обеспечивающие звуковой комфорт;
• пластмассы – материалы, получаемые с применением полимеров (линолеум, пластмассовые трубы, пленки);
6
7
Истинная плотность (ρ) – масса единицы объема материала
в абсолютно плотном состоянии.
Средняя плотность (ρ0) – масса единицы объема материала
в естественном состоянии.
Насыпная плотность (ρн) – масса единицы объема сыпучего
материала в рыхлом состоянии.
Все названные свойства характеризуют массу единицы объема
материала, например 1 см3, 1 м3. Различие свойств состоит в степени заполнения пространства единицы объема веществом строительного материала.
Когда речь идет об истинной плотности, предполагается, что
пространство единицы объема полностью заполнено веществом
материала, без каких-либо промежутков (пор, дефектов). Так,
например, простая вода заполняет предоставленный ей объем.
Если пространство заполнено материалом с присущими ему
порами, дефектами, то тогда масса единицы объема выражает среднюю плотность. В этом случае определенная часть пространства
оказывается не заполненной веществом материала. Большинство
строительных материалов имеет неоднородное строение, неравномерное распределение пор и дефектов, поэтому плотность разных
участков изделия или конструкции оказывается разной. Средняя
плотность является своеобразной усредненной характеристикой
материала. Словосочетание «средняя плотность» допускается заменять одним словом «плотность».
Насыпная плотность является характеристикой только сыпучих строительных материалов (кусковых, зернистых, порошковых,
волокнистых) и равна массе единицы объема такого материала
в рыхлонасыпанном состоянии. В таком состоянии между частицами материала имеются промежутки – пустоты, а в самих частицах
в свою очередь могут быть поры. Таким образом, степень заполнения пространства веществом материала будет зависеть от количества пустот и пор в сыпучем материале: чем больше пустот и пор,
тем легче сыпучий материал, тем меньше насыпная плотность.
Из вышеизложенного ясно, что для одного и того же строительного материала (сыпучего) все три описанные свойства имеют различные числовые значения, подчиняющиеся неравенству ρ > ρ0 > ρн.
Только у непористых материалов значения истинной и средней
плотностей одинаковы: ρ = ρ0.
Для числового выражения истинной плотности, г/см3, необходимо массу сухого образца материала m разделить на его объем
в абсолютно плотном состоянии, т. е. без пор (так называемый абсолютный объем Vа):
8
9
• отделочные материалы – материалы, наносимые на поверхность конструкций, деталей с целью защиты, улучшения внешнего вида.
Условность такой классификации очевидна, так как в ее основе
лежит не единый, общий классификационный признак, а своеобразный комплексный признак. Этот классификационный признак
вбирает в себя и происхождение материала, и вид исходного сырья,
и функциональное назначение материала. В самом деле, главным
общим признаком горных пород является их природное происхождение, бетоны и строительные растворы объединены в группу по
виду исходного сырья, отделочные материалы – по функциональному назначению. Следует отметить, что условность присуща любой классификации.
СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
О строительных материалах и изделиях судят по их свойствам. Свойство – это признак материала (изделия), который проявляется при переработке, применении и эксплуатации.
Большое значение в строительной практике имеет масса единицы объема материала. Так, зная массу единицы объема материала, можно рассчитать вес конструкции или отдельных частей сооружения, определить давление, оказываемое сооружением на
грунт, подобрать вид транспорта для перевозки материалов, косвенно оценить другие свойства материала. В большинстве случаев
стремятся уменьшить массу строительных изделий и конструкций,
но иногда большая масса является желательной. Это относится,
например, к конструкциям, защищающим от радиационного излучения или гидротехническим конструкциям, сопротивляющимся
сильному водному потоку. Масса изделий, конструкций зависит от
плотности материала.
Истинная плотность, средняя плотность, насыпная плотность
ρ=
m
.
Va
Для определения абсолютного объема материал нужно размолоть настолько мелко, чтобы в его частицах не осталось пор. Чем
тоньше помол, тем точнее определение истинной плотности. Практически материал размалывают до получения частиц, проходящих
через сито с отверстиями 0,16 мм.
Объем измеряют при помощи прибора Ле Шателье. Порцию
сухого порошка массой m всыпают в воду или, если материал взаимодействует с ней, – в безводный керосин. По величине поднятия
уровня жидкости в приборе устанавливают суммарный объем частиц порошка, который и принимают за Vа.
Среднюю плотность, г/см3, вычисляют путем деления массы
образца m на его объем в естественном состоянии, т. е. вместе с порами, дефектами (естественный объем Vе):
ρ0 =
m
.
Vе
Среднюю плотность определяют чаще всего, используя образцы правильной геометрической формы. В этом случае при измерении объема Vе не возникает трудностей. В то же время существуют
несложные приемы, основанные на законе Архимеда, позволяющие
измерить объем образца неправильной геометрической формы.
Числовое значение средней плотности зависит от влажности
материала. Плотность можно определять на сухих образцах или образцах, имеющих естественную влажность. Значения плотности сухого ρ0 и влажного ρ0w материала связаны следующим соотношением:
ρ0 =
ρ0 w
,
(1 + W )
Определение насыпной плотности производится путем наполнения мерного сосуда сыпучим материалом и взвешивания поместившегося в сосуд материала. Частное от деления массы материала m на объем мерного сосуда Vс и есть насыпная плотность, кг/м3,
сыпучего строительного материала:
ρн =
m
.
Vc
При определении насыпной плотности нужно обратить внимание на три обстоятельства. Во-первых, объем мерного сосуда
должен соответствовать размеру зерен сыпучего материала: чем
крупнее зерна материала, тем большим должен быть мерный сосуд.
Во-вторых, числовое значение насыпной плотности зависит от
влажности материала, что необходимо учитывать в практической
работе. В-третьих, насыпную плотность можно определить в рыхлонасыпанном состоянии или в уплотненных разными способами
состояниях. Таким образом, один и тот же сыпучий материал может характеризоваться несколькими числовыми значениями
насыпной плотности.
В отдельных случаях плотность строительного материала
удобно применять как безразмерную величину. В этих случаях
пользуются относительной плотностью. Относительная плотность
строительного материала d выражается по отношению к плотности
воды (стандартное вещество) при температуре 4 ºС. Плотность воды при этой температуре равна 1000 кг/м3. Относительную плотность строительного материала получают делением его плотности
на плотность воды. Так, например, древесина дуба плотностью
680 кг/м3 имеет относительную плотность d = 0,68.
Пористость, пустотность
где W – количество влаги в материале (в долях от его массы).
Как следует из приведенной формулы, плотность материала
возрастает пропорционально увеличению его влажности.
Средняя и насыпная плотности материалов в значительной
мере зависят от их пористости и пустотности. Пористость – числовая структурная характеристика материала, выражающая степень
наполнения объема материала порами. Пустотность, являясь ха-
10
11
рактеристикой сыпучих материалов2, выражает объем пустот между зернами (частицами) материала. Числовые показатели этих
свойств выражаются либо в процентах, либо в долях объема материала, принимаемого за единицу.
Пористость – одно из основных свойств строительных материалов, так как от ее величины зависят многие свойства: плотность,
водопоглощение, теплопроводность, морозостойкость, проницаемость и др. Поры (от греч. poros – проход, отверстие, скважина) –
это элементы структуры, не заполненные веществом материала.
Обычно поры заполнены воздухом или водой. Поры возникают
в материале естественным путем или могут создаваться искусственно, целенаправленно в процессе изготовления материала.
В строительных материалах различают общую (истинную),
открытую (кажущуюся) и закрытую пористость. Общую пористость, включающую весь объем пор в материале, %, можно вычислить по формуле
 ρ 
Побщ = 1 − 0  100.
ρ

Общая пористость может быть равна нулю. У непористых материалов, как отмечалось выше, ρ0 = ρ. В то же время у высокопористых материалов она может составлять 95–96 %.
Открытыми называются поры, которые сообщаются с окружающей средой, и между собой, образуя сложную капиллярнопористую систему. Они заполняются водой при полном погружении образцов материала в ванну с водой. Открытая пористость
(Поткр) характеризуется объемом поглощенной воды, выраженной
в % к естественному объему материала:
 m − m1 1 
100 ,
Поткр =  2
Vе 
 ρв
2
Пустотностью также характеризуются некоторые изделия, имеющие
технологические пустоты (кирпич и камни керамические, железобетонные плиты
перекрытия и др.). И в этом случае пустотность выражается в процентах от объема
изделия.
12
где m1 и m2 – масса образца материала соответственно в сухом
и насыщенном водой состоянии; ρв – плотность воды.
Следует заметить, что воздух, находящийся в порах, препятствует заполнению пор водой. Для полного водонасыщения образцы материала погружают в воду постепенно. Поэтапное увеличение
глубины погружения образцов обеспечивает вытеснение воздуха
водой, поднимающейся по стенкам пор под действием капиллярных сил.
Закрытая пористость – изолированная от внешней среды, вычисляется по формуле
Пзакр = Побщ − Поткр .
Пористый строительный материал обычно содержит и открытые, и закрытые поры. Однако для звукопоглощающих материалов,
например, предпочтительнее открытые поры, так как они поглощают звуковые волны; в то же время закрытые поры обеспечивают
лучший теплоизоляционный эффект, повышение долговечности изделий.
Дополняют характеристику поровой структуры материала
сведения о форме и размерах пор, о распределении пор по размерам. Для получения таких данных проводят специальные исследования с применением методов ртутной порометрии, методов, основанных на капиллярном всасывании жидкости, адсорбционных методов.
Пустотность (Vпуст), %, сыпучего материала, как и общую
пористость, можно определить расчетно-экспериментальным методом, вычислив по формуле
ρн 

 100 .
Vпуст = 1 −
ρ 0 

Величина пустотности зависит от формы зерен, соотношения
зерен разных размеров и от степени уплотнения материала. В отдельных технологиях пустотность имеет большое значение.
Например, в технологии бетонов очень важно использовать смесь
13
заполнителей с малой пустотностью, что обеспечивает получение
высококачественных бетонов.
Водопоглощение
Большая часть строительных материалов на протяжении всего
срока службы в разной степени контактирует с влагой. Следовательно, гидрофизические свойства, проявляющиеся во влажной
среде или в воде, являются очень важными свойствами строительных материалов.
Водопоглощение – это способность материала впитывать
и удерживать в себе воду при полном в нее погружении в течение
установленного времени. Величина водопоглощения характеризуется степенью насыщения материала водой. Для определения водопоглощения необходимо предварительно взвешенные образцы материала полностью насытить водой, применяя стандартные методики.
За счет поглощенной воды увеличивается масса образцов. Это увеличение массы, выраженное в процентах по отношению к начальной
массе, является показателем водопоглощения по массе Вм:
может составлять 95–96 %. В то же время водопоглощение по массе у
отдельных высокопористых материалов может быть более 100 %.
Простыми алгебраическими действиями можно получить следующее соотношение, применяемое для различных расчетов:
Во
=d ,
Вм
где d – относительная плотность строительного материала.
Капиллярное всасывание
Капиллярное всасывание – это способность пористого материала впитывать воду, когда часть изделия или конструкции находится в воде. Капиллярное всасывание протекает за счет сил поверхностного натяжения, возникающих на границах раздела разных
фаз: вода – воздух, твердое тело – вода, твердое тело – воздух. Схема образования поверхностного натяжения на примере фаз вода –
воздух показана на рис. 1.
 mн − m с 
 100 .
В м = 
 mс 
Объем поглощенной материалом воды, выраженный в процентах по отношению к естественному объему образца, является
показателем водопоглощения по объему Во:
m − mс 1 
 100 ,
В о =  н
ρв
Vе 

Рис. 1. Схема образования поверхностного натяжения
где mс – масса сухого образца; mн – масса насыщенного водой образца; ρв – плотность воды.
Количество поглощаемой воды зависит, очевидно, от объема
открытых пор в материале. Следовательно, водопоглощение по
объему характеризует открытую или кажущуюся пористость строительного материала. Оно не может превышать значения общей пористости, которая у отдельных материалов, как уже отмечалось,
Молекулы воды А, находящиеся в глубине жидкости, окружены со всех сторон соседними подобными молекулами, действие которых взаимно компенсируется. Молекулы Б, находящиеся на поверхности жидкости, соседствуют и взаимодействуют с молекулами воды и молекулами воздуха. Очевидно, что воздействие
молекул воды на молекулу Б значительно превышает воздействие
молекул воздуха. По этой причине поверхностные молекулы Б будут втягиваться внутрь жидкости, а поверхность будет стремиться
14
15
сократиться. Такое неравноценное молекулярное взаимодействие
на границе раздела фаз (вода – воздух) вызывает появление силы.
Эта сила σж.г действует тангенциально (параллельно) поверхности.
Она рассчитывается на единицу длины периметра, ограничивающего поверхность жидкости, и называется поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение имеет размерность Н/м. Для воды
при 20 °С оно равно 72,75 ⋅ 10–3 Н/м.
Поверхностное натяжение испытывают также твердые тела на
поверхности раздела с газом (воздухом) – σт.г и на поверхности раздела с жидкостью (водой) – σт.ж.
Капиллярное всасывание зависит от смачивания поверхности
твердого тела водой. Явление смачивания иллюстрирует состояние
капли воды на твердой поверхности в условиях равновесия. По периметру контакта капли с твердым телом действуют три поверхностных натяжения: σт.г, σт.ж, и σж.г. Они представлены на рис. 2
в виде векторов, направленных по касательной к соответствующей
поверхности. Эти силы уравновешивают друг друга.
Краевой угол характеризует способность твердых тел смачиваться. Чем меньше величина краевого угла, тем больше площадь
контакта капли с твердой поверхностью, тем сильнее смачивание.
По величине краевого угла смачивания все поверхности, контактирующие с водой, принято делить на две группы. Если угол θ принимает значения в пределах от 0 до 90°, то такие поверхности
называются гидрофильными. Если значение краевого угла смачивания попадает в интервал 90–180°, поверхности называются гидрофобными. Максимальная гидрофильность является следствием
интенсивного взаимодействия молекул воды и твердого тела.
В этом случае капля воды стремится к полному растеканию, превращаясь в пленку на поверхности твердого тела, а значение краевого угла приближается к нулю. И, наоборот, в случае предельной
гидрофобности подобное взаимодействие является минимальным
и даже может отсутствовать. Тогда форма капли воды приближается к сферической.
Капиллярное всасывание проявляется у строительных материалов, которые, во-первых, имеют капиллярно-пористую структуру,
во-вторых, являются гидрофильными. Рассмотрим механизм капиллярного всасывания на схемах, показанных на рис. 3.
Рис. 2. Положение капли жидкости на поверхности твердого тела
Вектор силы σж.г направлен под углом к площади контакта.
Этот угол называется краевым углом смачивания и обозначается
обычно θ. Краевой угол – важнейшая характеристика смачивания.
Он равен углу между направлением поверхностного натяжения на
границе жидкости с газовой средой σж.г и двумя другими средами.
Вершина краевого угла лежит на периметре, ограничивающем
площадь контакта капли с поверхностью твердого тела, а его значение всегда отсчитывается в сторону жидкой фазы.
Интенсивное взаимодействие молекул воды и молекул твердого тела приводит к искривлению поверхности на границе вода –
воздух и появлению капиллярного давления Рσ, способствующего
16
17
Рис. 3. Капиллярное поднятие жидкости:
схема 1 – капилляр широкий; схема 2 – капилляр узкий; схема
3 – соотношение радиуса капилляра и радиуса мениска жидкости
поднятию жидкости. Числовое значение этого давления определяется по формуле (уравнение Лапласа):
Р σ = 2 σ ж.г r ,
где r – радиус кривизны поверхности мениска воды.
Обратившись к схеме 3, можно связать капиллярное давление
с радиусом капилляра r0:
r
r0
= cos θ  r = 0  Pσ = 2σж.г cos θ r0 .
r
cos θ
Из приведенной формулы видно, что капиллярное давление
возрастает с увеличением параметров смачивания и уменьшением
радиуса капилляра. Когда радиус капилляра большой, маленькое
капиллярное давление способно поднять только небольшой слой
воды, соприкасающийся со стенками капилляра (схема 1). Если же
капилляр узкий, большое капиллярное давление поднимает столб
воды на заметную высоту (схема 2). Вода поднимается до тех пор,
пока вес столба жидкости (высотой h) не уравновесит действующее
капиллярное давление Рσ. Состояние такого равновесия выражается
формулой Жюрена, из которой можно определить высоту h капиллярного поднятия воды:
2 σ cos θ
,
ρ в g h = 2 σ ж.г cos θ r0  h = ж.г
r0ρ в g
В то же время капиллярное всасывание играет существенную
положительную роль в технологиях пропитки конструкций с целью
укрепления и защиты от разрушения, в технологиях окраски и др.
Капиллярные явления наблюдаются также в процессах сушки различных материалов. При удалении влаги (нарушении равновесия)
капиллярное давление стягивает стенки капилляров, приводя к объемным деформациям усушки, усадки.
Капиллярное всасывание строительных материалов характеризуют высотой поднятия воды, количеством поглощенной воды
и интенсивностью всасывания.
Гигроскопичность
где ρв – плотность воды; g – ускорение свободного падения.
В идеальном случае, когда, например, капилляр радиусом
1 мкм имеет правильную форму и обладает предельной гидрофильностью, значение высоты подъема воды может достигать 15 м.
В строительных материалах с различной способностью смачиваться
поры имеют неправильную форму и изменяющееся поперечное сечение, поэтому высота подъема воды имеет меньшие значения. Тем
не менее грунтовая вода может подниматься по капиллярам
и увлажнять нижнюю часть стены здания, создавая сырость в помещении и снижая свойства конструкции. Для предотвращения такого явления между стеной и фундаментом здания устраивают слой
гидроизоляции.
Гигроскопичность – свойство строительных материалов поглощать влагу из окружающего влажного воздуха. Поглощение
влаги из воздуха обусловлено адсорбцией (прилипанием) молекул
водяного пара на твердой поверхности материала. Таким образом,
гигроскопичность, с одной стороны, зависит от активности притягивания молекул воды твердым веществом материала, т. е. от гидрофильности, с другой стороны, – от суммарной внутренней поверхности пор в материале. Гидрофильность обусловлена природой
материала – его химическим составом и структурой. Суммарная
поверхность пор связана с их количеством и размерами. При одинаковой пористости мелкопористые материалы обладают большей
гигроскопичностью, чем крупнопористые. Высокой гигроскопичностью обладают многие теплоизоляционные и пористые стеновые
материалы, древесина, порошкообразные вяжущие вещества.
Мерой гигроскопичности может являться гигроскопическая
или сорбционная влажность материала Wг. Она выражает содержание влаги в материале после окончания поглощения им водяного
пара из окружающего воздуха, т. е. в равновесном с окружающей
средой состоянии. Значение гигроскопической влажности, %, вычисляется по формуле
 m 2 − m1 
100,
Wг = 
 m1 
где m1 – масса сухого образца материала; m2 – масса образца материала в состоянии равновесной влажности.
18
19
Процесс адсорбции является обратимым. Следовательно,
сорбционная влажность материала меняется с изменением параметров среды (относительной влажности окружающего воздуха и температуры). В процессе эксплуатации и хранения строительные материалы, соприкасающиеся с окружающей средой, то увлажняются,
то высыхают. Процессы циклического увлажнения и высыхания
плотных материалов протекают очень медленно. В то же время,
сорбционная влажность высокопористых материалов меняется
быстро и часто. Следует иметь в виду, что эти процессы сопровождаются деформациями – набуханием и усадкой (усушкой), которые
ухудшают стабильность структурных и технических характеристик
изделий и конструкций. Еще больший вред наблюдается, когда поглощаемая из окружающей среды влага вступает в химическое взаимодействие с материалом. Такой процесс, называемый хемосорбцией, является необратимым. Он может привести к частичной или
полной потере технических свойств материала. Например, это
может произойти с минеральными вяжущими веществами.
Максимального значения гигроскопическая влажность достигает при относительной влажности воздуха 100 % вследствие капиллярной конденсации. Капиллярная конденсация – процесс сжижения водяного пара в узких капиллярах, сопровождающийся заполнением капилляров жидкостью. Это приводит к резкому
увеличению влажности материала. В таких случаях ухудшаются
свойства, возникает опасность постепенного разрушения материала
от биологических процессов (гниение), от замораживания, от коррозии. Для предотвращения негативного действия водяного пара
в конструкциях зданий устраивают пароизоляцию, хранение материалов осуществляют в герметичных упаковках.
стойкости конструкционных строительных материалов является коэффициент размягчения. Числовое значение коэффициента размягчения (К разм ) определяется как отношение предела прочности при
(
)
нас
сжатии насыщенного водой материала Rсж
к пределу прочности
сух
при сжатии сухого материала Rсж :
(
)
К разм =
нас
Rсж
.
сух
Rсж
Коэффициент размягчения может принимать числовые значения от 0 (например, изделия из необожженной глины) до 1 (например, металлы). Из формулы видно, что чем большую прочность
имеют материалы в насыщенном водой состоянии, тем больше значение Кразм. Материалы, имеющие коэффициент размягчения выше
0,8, т. е. потеря прочности которых при насыщении водой не превышает 20 %, считаются водостойкими. Такие материалы могут
эксплуатироваться во влажных условиях.
Газопроницаемость
При насыщении водой строительные материалы в разной степени снижают свою прочность. Снижение прочности обусловлено
расклинивающим действием тонких водных пленок, частичным
растворением отдельных фаз (в особенности в местах контактов),
деформацией структуры в результате набухания. Степень снижения
прочности при водонасыщении позволяет судить о водостойкости
материала.
Водостойкость – способность материала сопротивляться
длительному разрушающему действию воды. Показателем водо-
Проницаемость – свойство материала пропускать через себя
газы или жидкости. Многие строительные материалы, имея пористую структуру, обладают таким свойством. Их проницаемость зависит от пористости, формы и размера пор, от установившегося перепада давления газа или жидкости у противоположных поверхностей конструкции, от размеров конструкции. В строительстве
различают газопроницаемость и водопроницаемость.
Газопроницаемость – способность материала пропускать через свою толщу газы при наличии перепада давления. Разновидностью газопроницаемости является паропроницаемость, проявляющаяся у материалов при наличии перепада парциального давления
водяного пара. Газопроницаемость стеновых материалов в жилых
зданиях, лечебных, офисных учреждениях играет положительную
роль, обеспечивая естественную вентиляцию воздуха. Чтобы стены
«дышали», их не отделывают газонепроницаемыми материалами.
Парциальное давление водяного пара увеличивается при повышении температуры. Таким образом, водяной пар стремится
в область с меньшим давлением, т. е. в область более низких тем-
20
21
Водостойкость
ператур. Проходя через пористую структуру стенового материала,
водяной пар при определенных условиях может конденсироваться,
повышая влажность наружных (холодных) слоев. Это ухудшает
свойства ограждающей конструкции, а при замерзании влаги может
привести к разрушению. Следовательно, стены производственных
и общественных помещений с повышенной влажностью необходимо с внутренней стороны изолировать паронепроницаемыми материалами от проникновения в них водяного пара.
Числовой характеристикой свойства является коэффициент
газопроницаемости. Он выражает массу газа Μг, проходящего через
ограждающую конструкцию толщиной δ, площадью Ѕ за время τ
при перепаде давления у противоположных граней ΔΡ. Коэффициент газопроницаемости Кг, г/м · ч · Па, можно вычислить по формуле
Кг =
Мгδ
.
SτΔP
Газопроницаемость (паропроницаемость) зависит от структурных характеристик материала. Об этом свидетельствуют данные, приведенные в табл. 1. Из таблицы следует, что на паропроницаемость влияет количество пор в материале (сравним оконное
стекло и ячеистый бетон), форма пор (сосна вдоль и поперек волокон), вид пор (в пенополистироле преобладают замкнутые поры).
Таблица 1
Паропроницаемость строительных материалов
Материал
Железобетон
Керамзитобетон
Ячеистый бетон
Кирпичная кладка
Мрамор
Сосна поперек волокон
Сосна вдоль волокон
Пенополистирол
Пенополистирол
Битум
Стекло оконное
Плотность, кг/м3
2500
1000
300
1200
2800
500
500
100
40
1400
2500
22
Расчетный коэффициент
паропроницаемости,
мг/м · ч · Па
0,03
0,14
0,26
0,15
0,008
0,06
0,32
0,05
0,05
0,008
0
Водопроницаемость, водонепроницаемость
Водопроницаемость – свойство материала пропускать воду
под давлением. Водопроницаемость характеризуется коэффициентом фильтрации Кф, физический смысл которого аналогичен физическому смыслу коэффициента газопроницаемости.
В специальных случаях могут использоваться материалы
с требуемой водопроницаемостью. Такие материалы имеют определенную капиллярно-пористую структуру. Однако чаще в строительстве технический интерес представляет обратное свойство –
водонепроницаемость.
Водонепроницаемость – способность материала не пропускать через свою толщу воду под давлением. Этим свойством должны обладать кровельные, гидроизоляционные, герметизирующие
материалы, гидротехнические бетоны. Названные материалы характеризуются высокой плотностью и малой пористостью. В то же
время некоторые пористые материалы также имеют хорошую водонепроницаемость (например, пенопласты). В них преобладают
мелкие и закрытые поры.
Водонепроницаемость определяется с помощью устройств,
позволяющих создавать на одной стороне образца постоянное давление воды. Характеристикой водонепроницаемости может быть
время, в течение которого образец не пропускает воду при заданном гидростатическом давлении, или максимальное давление, выдерживаемое образцом в течение установленного промежутка времени. Параметры оценки приведены в нормативной документации на
каждый вид материала. Так, по результатам испытания бетона принимается марка бетона по водонепроницаемости, например В8. Марка показывает максимальное давление воды (в примере – 0,8 МПа),
которое выдерживает (не пропускает воду) бетонный образец стандартных размеров за установленное время, зависящее от размеров
образца.
Морозостойкость
Одним из основных свойств, определяющих долговечность
строительных материалов и конструкций, является их морозостойкость. Для нашей страны это свойство строительных материалов
23
является важным из-за географического положения и особых климатических условий.
Морозостойкость – способность насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание без
видимых признаков разрушения и без потери массы и прочности
больше установленных норм. Понятие морозостойкости и методику
испытания впервые предложил профессор Н. А. Белелюбский
в 1886 году.
Необходимо отметить, что речь идет о материалах, насыщенных водой. Это стеновые, кровельные и другие материалы, имеющие в условиях эксплуатации прямой контакт с влагой, влажной
атмосферой и отрицательной температурой. Их поры, особенно поверхностные, могут в разной степени насыщаться водой. Вода попадает в материал конструкций разными способами. Как указывалось выше, увлажнение материала происходит при перемещении
водяного пара из помещения наружу и его конденсации в холодной
зоне конструкции. При контакте с водой увлажнение идет за счет
водопоглощения и капиллярного всасывания. Вода попадает в поры
материала и в виде атмосферных осадков.
Главной причиной разрушения водонасыщенных материалов
при отрицательной температуре является расширение замерзающей
в порах воды. Наибольшее расширение (примерно на 9 %) происходит при температуре –4 °С. При более низких температурах объем образовавшегося льда не увеличивается. Расширяющаяся при
замерзании вода создает давление на стенки пор, которое может
привести к разрушению материала.
При рассмотрении механизма разрушения материалов в процессе замораживания необходимо иметь в виду важные обстоятельства. Отметим их.
Пористые материалы характеризуются разнообразием пор по
размерам и форме. Размеры пор могут быть от нескольких тысячных долей до нескольких тысяч микрометров. По форме поры бывают капиллярные, сферические, сообщающиеся и обособленные,
открытые и закрытые. Разные поры заполняются влагой поразному. В самые мелкие поры может проникать только парообразная вода в виде отдельных молекул. Обычная, жидкая, вода, имея
своеобразное «полукристаллическое» строение, не может проникнуть в такие поры. Она заполняет их только под большим давлени-
ем, например, в процессе расширения при замерзании. Крупные
поры заполняются при прямом контакте материала с водой за счет
водопоглощения и капиллярного всасывания. Причем в самых
крупных порах вода не удерживается и выливается, освобождая
часть порового пространства. И, наконец, в замкнутые поры влага
вообще не попадает. Таким образом, в условиях эксплуатации материал никогда не может быть полностью насыщен водой.
Вода, заполняющая поры материала, находится в разных состояниях. В тонких слоях, прилегающих к стенкам пор, а также
в мелких порах и узких капиллярах вода находится в «сжатом» состоянии благодаря силам молекулярного взаимодействия. Разворачиваясь к твердой поверхности, имеющей положительный или отрицательный заряд, дипольные молекулы воды образуют своеобразные цепи, направленные вглубь пленки. В таких молекулярных
цепях с увеличением расстояния от твердой поверхности сила притяжения постепенно ослабевает и вода становится рыхлосвязанной,
а затем свободной (обычной) (рис. 4).
24
25
Рис. 4. Схема образования слоев связанной воды в материалах:
I – прочносвязанная вода; II – рыхлосвязанная вода; III – свободная вода
Прочносвязанная вода отличается от свободной своими физико-химическими характеристиками. Она имеет более высокую
плотность, не является растворителем, трудно испаряется, замерзает при очень низких температурах (до –70 °С), т. е. приближается
по свойствам к твердому телу.
Метод испытания на морозостойкость предусматривает
насыщение образцов материала водой с последующим многократным замораживанием их в морозильной камере в течение обусловленного времени при температуре от –18 до –20 °С и оттаиванием
в воде, имеющей комнатную температуру. Воздействие на материал попеременного замораживания и оттаивания равносильно многократному приложению растягивающей нагрузки. Это приводит
к усталости и постепенному разрушению материала. В процессе
испытания разных материалов контролируются внешний вид образцов (отсутствие признаков разрушения); масса образцов и прочность образцов (потеря массы и прочности не должна превышать
установленных норм). При достижении критических контролируемых показателей испытание останавливают и материалу присваивают марку по морозостойкости, например F50. Марка показывает,
какое количество циклов попеременного замораживания и оттаивания выдерживает материал.
В реальных условиях эксплуатации и даже при жестком испытании, описанном выше, материалы не разрушаются при первом же
замораживании, а выдерживают определенное количество циклов.
Это происходит по нескольким причинам. Во-первых, в материалах
вода заполняет лишь часть общего объема пор. Не заполненные водой поры являются резервным пространством, в которое перемещается расширяющаяся при замораживании вода. Во-вторых, прочносвязанная вода не замерзает при температуре –20 °С и, таким образом, не участвует в работе разрушения материала. И, наконец,
морозостойкие материалы обладают высокой прочностью и достаточной пластичностью, что позволяет им длительно сопротивляться
многократно повторяющемуся давлению расширяющейся воды.
Испытание материалов на морозостойкость отличается большой продолжительностью. Существуют ускоренные методы испытания бетона. Они основаны на усилении суровости испытания.
Для этой цели изменяют условия: вместо обычной воды для насыщения и оттаивания применяют растворы солей, понижают температуру замораживания (до –50 °С). Такие условия вовлекают в разрушающую работу кристаллизующуюся в порах соль и замерзающую прочносвязанную воду, что приводит к более быстрому
достижению критических контролируемых показателей.
26
Дилатометрический метод определения морозостойкости бетонов, основанный на однократном замораживании, также является
ускоренным. Метод базируется на непрерывном измерении температурных объемных деформаций материала в процессе его охлаждения. При этом эталоном сравнения служит алюминиевый образец, одинаковый с испытуемым по форме и размерам. При замораживании образца исследуемого материала и эталонного образца
возникают деформации сжатия. Сжатие алюминиевого образца
происходит линейно, а деформация насыщенного водой бетонного
образца имеет аномальный пик в момент превращения воды в лед.
Величина аномального пика разностных деформаций позволяет
установить марку по морозостойкости по корреляционным зависимостям.
Теплопроводность
Теплопроводностью называется способность материала проводить через себя тепло. Перемещение тепла в материале наблюдается всегда, когда на противоположных сторонах изделия или конструкции устанавливаются разные температуры. Тепловой поток
направлен от нагретой поверхности к более холодной. В таких
условиях работают все ограждающие конструкции зданий, а также
изоляция трубопроводов, холодильников, тепловых установок.
Предположим, что через стену из однородного материала
толщиной δ, м, площадью Ѕ, м2, при разности температур на противоположных сторонах ∆t, ºС, установился постоянный тепловой поток. Количество теплоты Q, Дж, проходящее через такую конструкцию за время τ, ч, можно вычислить по формуле
Q=λ
S Δ tτ
.
δ
Из формулы следует, что при равных условиях тепловой поток в различных материалах зависит от множителя пропорциональности λ. Этот множитель характеризует способность материала
проводить теплоту, имеет размерность Вт/(м · ºС) и называется коэффициентом теплопроводности. Коэффициент теплопроводности
выражает количество теплоты, проходящей за 1 ч через стенку из
27
материала толщиной 1 м, площадью 1 м2 при установившейся разности температур на противоположных сторонах в 1 ºС.
Все строительные материалы имеют определенные значения
коэффициента теплопроводности, которые зависят от состава,
плотности, структуры, влажности, температуры. Точные числовые
значения λ определяют с помощью специальной аппаратуры в лабораторных условиях. Для технических расчетов можно пользоваться ориентировочными значениями коэффициента теплопроводности, приведенными в справочной литературе. Ориентировочные
значения λ, Вт/(м · оС) некоторых строительных материалов приведены ниже:
сталь…………………………………………... 58
гранит…………………………………………. 2,92
тяжелый бетон ……………………………….. 1,35
керамзитобетон ……………………………… 0,58
ячеистый бетон ………………………………. 0,14
керамический кирпич ……………………….. 0,81
стекло ………………………………………… 0,65
древесина сосны вдоль волокон ……………. 0,34
древесина сосны поперек волокон …………. 0,17
минераловатные плиты ……………………... 0,075
пенополистирол ……………………………… 0,038
Известны три вида передачи тепла: теплопроводность (кондукция), конвекция и лучеиспускание. Кондукция наблюдается
в твердых телах при непосредственном соприкосновении элементарных частиц (атомов, молекул), когда тепловая энергия последовательно передается от одной частицы к другой. В жидкостях и газах наряду с кондукцией теплота может распространяться путем
перемещения и перемешивания более нагретых и менее нагретых
частиц. Так протекает конвекция. Лучеиспускание – это перенос
энергии в виде электромагнитных волн от излучающей поверхности твердого тела к поглощающей. При этом тепловая энергия превращается в лучистую на излучающей поверхности тела и обратно
в тепловую на поглощающей поверхности.
Передача тепла путем кондукции в чистом виде осуществляется только в абсолютно плотных строительных материалах (сталь,
28
стекло). В большинстве же случаев прохождение тепла через конструкцию происходит смешанным путем. Общий тепловой поток
складывается из тепла, проходящего через твердый «каркас» материа, и тепла, проходящего через поры. Соотношение этих составляющих зависит от характеристики материала. Рассмотрим основные факторы, влияющие на теплопроводность строительных материалов.
Кондуктивный теплообмен в твердом «каркасе» материала зависит от его химического состава. Более простые по химическому
составу вещества лучше проводят тепло, чем вещества, имеющие
сложный химический состав. Даже наличие примесей в материале
заметно снижает его теплопроводность. При одинаковом химическом составе материалы, имеющие кристаллическое строение, более теплопроводны, чем аморфные. У большинства строительных
материалов, а также воздуха или воды, заполняющих поры, теплопроводность возрастает с повышением температуры вследствие повышения кинетической энергии молекул. У металлов с повышением температуры теплопроводность убывает.
Более сложный теплообмен происходит в поровом пространстве материала. Воздух, заполняющий поры, обладает очень малой
теплопроводностью (λ возд = 0,023 Вт/(м · ºС)). Таким образом, поры
являются своеобразными препятствиями для прохождения тепла.
Чем больше пористость материала, тем меньше его теплопроводность. В то же время воздух проводит тепло не только кондуктивным путем, но и путем конвекции. При этом конвекционная составляющая теплового потока зависит от размера и формы пор
в материале. Она возрастает с увеличением размера пор и преобладанием вытянутых в одном направлении и сообщающихся пор. При
высоких температурах (более 100 °С) становится весьма заметной
передача тепла лучеиспусканием. При нормальных температурах
эксплуатации материалов значение этой составляющей теплового
потока невелико.
Теплопроводность материалов резко возрастает при их увлажнении. Это связано с тем, что теплопроводность воды, заполняющей поры, значительно превосходит теплопроводность воздуха:
λ воды = 0,55 Вт/(м · °С). Материал становится еще более теплопроводным, когда влага, находящаяся в его порах, замерзает. Вода пе29
реходит в кристаллическое состояние, и ее теплопроводность возрастает приблизительно в 4 раза (λльда = 2,5 Вт/(м · °С)).
Теплопроводность – главное свойство теплоизоляционных материалов. «Идеальный» теплоизоляционный материал должен
иметь сложный химический состав, аморфное строение, обладать
максимально высокой пористостью, быть изолирован от влаги. Поры в «идеальном» материале должны быть мелкие, закрытые, равномерно распределенные по всему объему.
В теплотехнических расчетах ограждающих конструкций
отапливаемых зданий, а также в нормативных документах используется параметр, обратный теплопроводности – термическое сопротивление. Термическое сопротивление R, (м2 · ºС)/Вт, однородного
слоя многослойной конструкции, а также однослойной ограждающей конструкции вычисляют по формуле
R=
δ
,
λ
где δ – толщина слоя конструкции, м; λ – коэффициент теплопроводности материала конструкции, Вт/(м · ºС).
От термического сопротивления зависят толщина ограждающих конструкций отапливаемых зданий и расход энергии на отопление.
Теплоемкость
Теплоемкость – способность строительных материалов поглощать (аккумулировать) при нагревании теплоту. При понижении
температуры материалы выделяют аккумулированную теплоту.
Ее количество тем больше, чем больше теплоемкость материала.
Таким образом, применение в помещениях материалов с высокой
теплоемкостью способствует выравниванию колебаний температуры, связанных с периодичностью работы отопительных приборов
или изменений температуры наружного воздуха.
Теплоемкость характеризуется удельной теплоемкостью.
Формула для расчета удельной теплоемкости получается из следующих рассуждений: количество тепла Q, Дж, требуемое для нагревания массы материала m, кг, от температуры t1, °С, до температу30
ры t2, °С, будет пропорционально указанным параметрам, а также
характеристике (удельной теплоемкости) конкретного материала c.
Следовательно,
Q = cm(t2 − t1 ).
Из приведенной формулы можно выразить c – удельную теплоемкость, Дж / (кг · °С):
c = Q m (t 2 − t1 ).
Таким образом, удельная теплоемкость выражает количество
тепла, требуемое на нагревание единицы массы (или объема) материала на 1 °С.
Числовые значения удельной теплоемкости зависят от химической природы материалов. У большинства каменных материалов
они варьируются в интервале 0,75–0,95 кДж / (кг · °С), у древесины
разных пород – в интервале 2,4–2,75 кДж / (кг · °С), у металлических сплавов – в интервале 0,4–0,9 кДж / (кг · °С). Комбинированные материалы имеют усредненные значения удельной теплоемкости. Наибольшей теплоемкостью обладает вода. Удельная теплоемкость воды составляет 4,2 кДж / (кг · °С). Следовательно,
с увлажнением материалов их теплоемкость заметно возрастает.
Показатели теплоемкости используются в теплотехнических
расчетах. Так, например, зная удельную теплоемкость, массу
и температуру нагретых смешиваемых компонентов, можно рассчитать температуру полученной смеси.
Коэффициент линейного температурного расширения (КЛТР)
При нагревании строительные материалы расширяются, а при
охлаждении – сжимаются. Это обстоятельство необходимо учитывать во многих случаях строительной практики. Например, при
остеклении оконных проемов теплопоглощающим стеклом необходимо предусматривать увеличенные зазоры между листами стекла
и оконными рамами. Состав глазури для керамических изделий
31
подбирают так, чтобы она имела одинаковое с керамическим черепком расширение при нагревании.
Для количественной оценки изменений линейных размеров
изделий, конструкций или их составных частей служит коэффициент линейного температурного расширения.
Коэффициент линейного температурного расширения
(КЛТР) выражает относительное удлинение образца материала при
его нагревании на 1 °С и измеряется в (°С)–1. Физический смысл
КЛТР выражается формулой
7,8 · 10–6 , перпендикулярно оси – 14,2 · 10–6; древесина вдоль волокон – 6 · 10–6 , поперек волокон – 30 · 10–6 . У изотропных материалов температурное расширение одинаково во всех направлениях.
Термостойкость, огнестойкость, огнеупорность
где l0 – первоначальный размер образца материала; ∆l – увеличение
размера образца при его нагревании от температуры t1 до температуры t2.
Температурное расширение материалов очень мало и измеряется с помощью высокоточных приборов – дилатометров, иногда
даже под микроскопом. Каждый материал характеризуется собственным значением коэффициента линейного температурного
расширения. Приведем для примера и сравнения КЛТР (°С)–1 некоторых строительных материалов: бетон – 12 · 10–6 , арматурная
сталь – 11,7 · 10–6 , фарфор – 3 · 10–6 , стекло оконное – 10 · 10–6, полистирол – 75 · 10–6, полиэтилен – 200 · 10–6. Обращают на себя
внимание близкие значения КЛТР бетона и арматурной стали (совместная работа в железобетоне), высокие значения КЛТР полимеров.
Измерениями установлено, что один и тот же образец расширяется при разных температурах по-разному. Обычно с повышением температуры увеличивается и КЛТР. Однако при сезонных изменениях температуры, которые испытывает большинство строительных материалов, разница в значениях коэффициента настолько
мала, что ею можно пренебречь и считать, что изменение размеров
изделий и конструкций пропорционально изменению температуры.
Важно знать, что анизотропные (неодинаковые по строению
в разных направлениях) тела и материалы имеют различные значения коэффициентов линейного температурного расширения в разных направлениях. Например, кварц параллельно оси кристалла –
Величина температурного расширения материалов или их составных частей сильно влияет на такие свойства, как термостойкость и огнестойкость. Чем меньше температурное расширение,
тем меньшие напряжения возникают в нагреваемом материале, тем
выше названные свойства.
Термостойкость – способность хрупких материалов сопротивляться разрушению от термических напряжений, возникающих
в изделиях при колебаниях или циклической смене температуры.
Термические напряжения, приводящие к разрушению, могут вызываться градиентом температур (внешние слои изделия прогреваются быстрее внутренних), а также высоким КЛТР, анизотропией материала, полиморфизмом, химическими реакциями.
Термостойкость разных материалов и изделий, определенная
разными методами, выражается числом теплосмен до потери определенной массы изделия, до появления трещин или до разрушения;
наивысшей температурой нагревания с последующим резким охлаждением, выдерживаемой изделием; перепадом температур, при
котором возникают трещины.
Огнестойкость – способность материалов сохранять необходимые эксплуатационные свойства при высоких температурах
(до 1000 °C), а также ограничивать распространение огня во время
пожара. Это важное свойство характеризуется пределами огнестойкости и распространения огня.
Предел огнестойкости выражается временем (в часах или минутах) от начала стандартного огневого испытания до достижения
одного из предельных состояний:
• потери несущей способности конструкции (прогиб, обрушение);
• потери теплоизолирующей способности (повышение температуры на противоположной, необогреваемой поверхности
в среднем более чем на 160 °C);
32
33
КЛТР =
Δl
,
l0 (t 2 − t1 )
• нарушения сплошности (образование сквозных трещин
и отверстий, пропускающих продукты горения и пламя);
• достижения критической температуры, при которой происходят необратимые изменения в материале конструкции, защищенной огнезащитными покрытиями.
Испытание строительной конструкции на распространение огня заключается в определении размера повреждения (обугливание,
выгорание, оплавление) вследствие горения в контрольной зоне
за пределами зоны нагрева.
Огнестойкость материалов в определенной мере зависит от их
возгораемости. По возгораемости строительные материалы подразделяются на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Несгораемые материалы в условиях пожара не воспламеняются, не тлеют,
не обугливаются (металлы, кирпич, бетон, природные каменные
материалы), трудносгораемые – с трудом воспламеняются, тлеют
и обугливаются, горят только при наличии источника огня. К трудносгораемым относятся фибролит, защищенная антипиренами древесина, некоторые пенопласты. Сгораемые (большинство органических материалов) под действием высокой температуры воспламеняются, горят и тлеют даже после удаления источника огня.
При экспертной оценке огнестойкости конструкции необходимо иметь в виду, что возгораемость материала, из которого выполнена конструкция, не определяет предела ее огнестойкости. Так,
например, конструкции из тонкостенных металлических профилей
(несгораемый материал) имеют минимальный предел огнестойкости. При пожаре они очень сильно деформируются. Массивная деревянная конструкция (сгораемый материал) по пределу огнестойкости превосходит стальную (несгораемый материал) с аналогичными несущими характеристиками.
Огнеупорность – способность материалов противостоять длительному действию высоких температур, не размягчаясь и не деформируясь. Этим свойством должны обладать материалы, предназначенные для эксплуатации в условиях постоянного высокотемпературного нагрева (выше 1000 °C). К ним относятся материалы
и изделия, применяемые при сооружении различных печей, топок,
котлов и пр.
Показателем огнеупорности является температура (°C), при
которой образец испытуемого материала в форме трехгранной усе34
ченной пирамидки установленных размеров (пироскоп), размягчается и деформируется так, что его вершина касается подставки, на
которую он установлен. При этом подъем температуры производится с установленной скоростью. При постепенном нагревании
отдельные составляющие испытуемого материала расплавляются,
жидкая фаза становится менее вязкой и пироскоп, не выдерживая
собственного веса, «падает». Таким образом, температура огнеупорности не тождественна температуре плавления. Она характеризует определенное пиропластическое состояние материала.
По огнеупорности строительные материалы подразделяются
на следующие группы: легкоплавкие, с температурой огнеупорности ниже 1350 °C; тугоплавкие, с температурой огнеупорности
1350–1580 °C; огнеупорные, с температурой огнеупорности выше
1580 °C.
Акустические свойства
Акустические свойства связаны со звуком, который в виде
волн распространяется в воздушной, жидкой и твердой средах. Звуки воспринимаются человеческим ухом как упругие механические
колебания частотой от 16 до 20 000 Гц (1 Гц равен 1 колебанию в с).
Наиболее чувствительными для человека являются частоты
1000…3000 Гц. Интенсивность звука, или сила звука, Вт/м2, характеризуется звуковой энергией, проходящей за 1 с через площадку
1 см2, расположенную перпендикулярно направлению движения
звуковой волны. Человеческое ухо воспринимает звук, если его сила превышает порог слышимости, который различен для разных
звуковых частот. Так, если звуковые колебания составляют 1000 Гц,
порог слышимости достигается при силе звука 10–12 Вт/м2. Это
стандартный порог слышимости I0. Болевые ощущения в ушах возникают при пороге 100 Вт/м2.
Уровень звукового давления, или уровень интенсивности звука L, иначе реальная громкость звука, рассчитывается по формуле
L = 10 lg
I
,
I0
где I – интенсивность конкретного звука; I0 – стандартный порог
слышимости.
35
Величина L, как логарифм отношения, безразмерна и поэтому
не имеет единиц измерения. Тем не менее для численного значения
логарифма применяют название децибел (дБ). Децибел используют
как единицу измерения.
Звуки, вызываемые случайными причинами, не несущие полезной информации, угнетающие нервную систему человека, называются шумами. Воздушный шум возникает и распространяется
в воздушной среде. Звуковые волны воздействуют на ограждающие
конструкции, приводят их в колебательное движение, передавая
шум в соседние помещения; отражаются и частично поглощаются
ограждающими конструкциями. Ударный шум возникает и распространяется непосредственно в конструкциях ограждений при прямых ударных, вибрационных и других воздействиях.
Для борьбы с шумами и создания звукового комфорта в строительстве используют акустические материалы – звукопоглощающие и звукоизоляционные.
К акустическим свойствам вышеназванных материалов относятся звукопоглощение и звукопроводность.
Звукопоглощение – способность материала поглощать падающую на него звуковую энергию. Числовой характеристикой этого
свойства является коэффициент звукопоглощения α, равный отношению звуковой энергии, поглощенной поверхностью материала
Епогл, к общему количеству падающей энергии Епад в единицу времени:
α = Епогл Епад .
Коэффициент звукопоглощения зависит от пористости и характера поверхности материала, от частоты и угла падения звука.
Чем больше открытая пористость материала, чем больше суммарная их поверхность, чем больше пор сообщается между собой, тем
лучшим звукопоглощением обладает материал. Оптимальными
считаются поры, имеющие размер от 0,01 до 0,1 см. Эффект достигается тем, что звуковые волны, падая на поверхность материала,
проникают в поры и возбуждают в них колебания воздуха. Высокая
степень сжатия воздуха и его трение о стенки пор вызывают разогрев. Так звук гасится, т. е. звуковая энергия преобразуется в рассеянную тепловую энергию. Гашению звука способствует также деформирование гибкого скелета звукопоглощающего материала,
36
на что тратится звуковая энергия. Этот вклад особенно заметен
в пористо-волокнистых материалах с открытой сообщающейся пористостью. Обратим внимание, что увеличение влажности материала резко снижает коэффициент звукопоглощения.
Звукопроводность – способность материала проводить через
себя звук. Противоположным по смыслу свойством является звукоизолирующая способность.
Звукопроводность материалов и конструкций выражают коэффициентом звукопроводности τ, равным отношению количества
звуковой энергии, прошедшей через преграду, Епрош, к общему количеству падающей энергии Епад в единицу времени:
τ = Епрош Епад .
Звукоизолирующую способность конструкции оценивают коэффициентом звукоизоляции D, который рассчитывают как разность уровней интенсивности звука до (I1) и после (I2) прохождения
звукоизоляционного материала:
D = L1 − L2  D = 10 lg
I1
.
I2
Звукопроводность зависит от массы ограждения. С увеличением массы конструкции улучшается поглощение звука, так как
массивное ограждение труднее привести в колебание под влиянием
волнового звукового давления. Следует учитывать, что повышение
звукоизолирующей способности конструкций с увеличением их
массы происходит медленно. Так, например, как следует из табл. 2,
звукоизоляция кирпичной стены толщиной в 1/4 кирпича составляет 42 дБ, толщиной в полкирпича – 44 дБ, а в один кирпич – 50 дБ.
Для дальнейшего снижения шума вместо однородных ограждений применяют многослойные конструкции с воздушными прослойками и без жестких связей между стенками. Об этом в определенной мере свидетельствуют примеры с окнами и дверями (табл. 2).
Снижению уровня шумов способствуют также малый динамический модуль упругости материалов (до 15 МПа) и наличие возду37
ха в порах. Это видно из таблицы на примере с древесноволокнистой плитой.
Таблица 2
Коэффициент звукоизоляции
строительных материалов и конструкций
Толщина,
см
9
15
27
15…18
2,5
0,5
0,6…0,7
Материал, конструкция
Кирпичная стена, оштукатуренная
Бетонная плита
Древесно-волокнистая плита
Клееная фанера
Стекло
Одинарное окно
Двойное окно
Одинарная дверь
Двойная дверь
Коэффициент
звукоизоляции, дБ
42
44
50
48
35
19
29
15
30
20
40
Деформация – это удлинение или укорочение образца материала под действием внешних сил. Следует упомянуть, что деформация может быть вызвана и другими факторами: изменением
влажности, изменением температуры, химическими реакциями.
Деформация характеризуется относительным изменением
размера образца. Эта характеристика называется относительной
деформацией (ε) и вычисляется по формуле
ε = Δl / l0 ,
Все строительные материалы в условиях эксплуатации несут
определенную нагрузку под действием разнообразных сил: собственного веса, веса других изделий и конструкций, напора ветра
или воды и т. д. Меньше нагружены облицовочные, теплоизоляционные материалы, бóльшую нагрузку воспринимают материалы несущих конструкций. Действующие силы стремятся изменить форму
и размеры строительной конструкции или вовсе разрушить ее. Материал конструкции сопротивляется этим явлениям.
В ненагруженных материалах атомы долгое время сохраняют
фиксированное расположение, обусловленное уравновешенными
силами взаимного притяжения и отталкивания. При появлении
внешних сил картина меняется. Растягивающие силы стремятся
увеличить расстояние между атомами, сжимающие силы – сблизить соседние атомы. Ничтожно малые изменения расстояний между отдельными атомами, суммируясь, превращаются в заметные
изменения размеров изделия или конструкции. Эти изменения
называются деформациями.
где l0 – первоначальный размер образца, ∆l – абсолютное изменение
размера, разность между конечным размером и первоначальным.
Различают деформации упругие и пластические. Упругая деформация – такое изменение размеров и формы образца материала,
которое исчезает полностью после прекращения действия вызвавших ее внешних сил. Образец при этом восстанавливает свою первоначальную форму, поэтому упругая деформация называется обратимой.
Восстановление первоначальных размеров происходит за счет
межатомных сил, действующих по принципу сжатых или растянутых пружинок, прикрепленных к соседним атомам. Так, например,
если сжимающая внешняя сила сблизила соседние атомы (сжала
воображаемую «пружинку»), то после снятия нагрузки «пружинка», разжимаясь, возвращает атомы в исходные позиции.
Упругая деформация проявляется, пока вызвавшая ее внешняя
сила не превысит известного для конкретного материала предела.
Если же этот предел будет превзойден, то после снятия нагрузки
деформация уменьшается, но образец полностью не восстанавливает свои размеры и форму. В этом случае обнаруживается остаточная (необратимая), или пластическая деформация.
Пластическая деформация объясняется необратимым перемещением атомов, группы атомов или отдельных зерен относительно
друг друга с изменением расстояний между ними.
Таким образом, строительным материалам присущи такие
свойства, как упругость, пластичность, хрупкость.
Упругость – это свойство материала деформироваться при
действии внешней нагрузки и самопроизвольно восстанавливать
38
39
Деформация, упругость, пластичность, хрупкость
первоначальную форму и размеры после прекращения действия
внешней силы.
Пластичностью называется свойство материала изменять
форму и размеры под нагрузкой, не разрушаясь, а после снятия
нагрузки сохранять приданную форму.
Хрупкость – способность материала не проявлять заметных
пластических деформаций, вплоть до разрушения. Хрупкость по
смыслу противоположна пластичности.
Нагрузки, приложенные к строительной конструкции, не
только вызывают деформации, но и приводят к возникновению
в материале внутренних сил. Эти силы, обусловленные межатомным взаимодействием, препятствуют стремлению внешних сил
разрушить материал, отделить одну его часть от другой. Рассмотрим это на простом примере.
На рис. 5 показан брусок, находящийся под действием двух
равных и направленных в противоположные стороны сил P (схема А).
Брусок не разделяется на отдельные части. Это объясняется тем,
что в каждом его сечении действуют силы притяжения между атомами.
Рис. 5. Возникновение внутренних сил при действии
внешней нагрузки
Не изменяя заданных условий, мысленно разделим брусок
плоскостью ab на две части, как показано на схеме Б. Чтобы сохранились условия равновесия и целостность бруска, нужно представить, что к атомам, находящимся в плоскости ab с обеих сторон
40
разделенных частей бруска, приложены силы, суммарно равные силе P, но направленные в противоположные от нее стороны. Это силы притяжения между соседними атомами, расположенными по
обе стороны плоскости ab (схема В). Каждая из воображаемых сил
чрезвычайно мала, но их количество очень велико, как велико количество атомов. Удобно рассматривать не отдельную межатомную
силу взаимодействия, а их равнодействующую, приходящуюся на
единицу площади сечения бруска. Эта равнодействующая внутренняя сила называется напряжением.
Напряжение (σ) – это величина приложенной силы (P), отнесенная к площади поперечного сечения (S) нагруженного образца
материала:
σ = P S.
Как следует из приведенной формулы, напряжение измеряется
в Н/м2 (сила/площадь). В Международной системе единиц (СИ)
1 Н/м2 равен 1 Па.
Сама по себе величина нагрузки (силы), приложенной к строительной конструкции или изделию, еще ничего не говорит о результате ее действия. Для того чтобы судить о поведении материала
в нагруженном состоянии, необходимо знать, какое напряжение
в материале вызовет эта нагрузка. При одинаковой нагрузке
наибольшее напряжение возникнет в конструкции с наименьшей
площадью поперечного сечения.
Если приложенная к конструкции внешняя сила будет увеличиваться, то будет возрастать и напряжение (пропорционально силе P).
Очевидно, что сила P может достичь такого значения, когда вызванные ею напряжения превысят внутренние силы сцепления
и материал разрушится. Напряжение, которое будет действовать
в материале в момент его разрушения, называется временным сопротивлением. В зависимости от направления внешней силы, вызвавшей разрушение, различают временное сопротивление сжатию,
изгибу, растяжению. Временное сопротивление характеризует
прочность материала.
41
Прочность
Прочность – способность материала сопротивляться разрушению от напряжений, возникающих при действии внешних сил
(или других факторов, например неравномерного нагревания). Числовым показателем прочности (мерой прочности) является временное сопротивление. В строительном материаловедении временное
сопротивление принято называть пределом прочности и обозначать
латинской буквой R. При действии на образец материала разных
сил определяют и различные пределы прочности: предел прочности
при сжатии – Rcж, предел прочности при изгибе – Rизг, предел прочности при растяжении – Rр.
Для испытания строительных материалов на прочность применяются стандартные образцы установленных размеров и форм.
Это могут быть образцы, имеющие форму куба, цилиндра, призмы,
стержня, «восьмерки», а также натуральные изделия. Испытание на
прочность проводят на прессах – испытательных машинах, позволяющих создавать необходимую нагрузку на образец. На рис. 6 приведены схемы испытания образцов на сжатие, растяжение и изгиб.
а)
б)
в)
Рис. 6. Схемы испытания образцов:
а – на сжатие; б – растяжение, в – изгиб
Перед испытанием измеряют размеры поперечного сечения
образца. На прессе (испытательной машине) по установленной методике определяют разрушающую нагрузку (Pразр). Пределы прочности при сжатии (Rcж), при растяжении (Rр), при изгибе (Rизг) вычисляют по формулам
Pразр
3 Pразр l
Rсж (Rр ) =
Rизг =
,
,
S
2 b h2
42
где S – площадь поперечного сечения образца; b и h – ширина и высота прямоугольного сечения образца; l – расстояние между опорами.
Пределы прочности измеряются в паскалях (удобнее применять мегапаскали) или в кгс/см2; 1МПа = 10 кгс/см2.
Для получения достоверных результатов испытанию необходимо подвергать серию образцов-близнецов, состоящую из трех
и более штук. Окончательный предел прочности материала рассчитывается как среднее арифметическое значение результатов испытаний n образцов:
R =
 Rn .
n
Значения R в одних случаях (горные породы, древесина) выражают фактическую прочность материала, в других случаях (кирпич, цемент, гипсовое вяжущее) служат для присвоения материалу
марки с округлением значения прочности до ближайшего меньшего
значения из шкалы марок. Марка, как правило, выражает прочность
материала при сжатии. Например, гипсовое вяжущее марки Г-6
обеспечивает получение искусственного камня прочностью при
сжатии не менее 6 МПа, кирпич марки М200 имеет среднюю прочность при сжатии не менее 200 кгс/см2.
Получаемые при испытании числовые значения пределов
прочности связаны со многими условностями. Рассмотрим эти
условности.
Результаты испытания зависят от формы и размеров образцов.
Наилучшей формой образцов при испытании на сжатие является
форма цилиндра. В цилиндрических образцах напряжения, возникающие при осевом сжатии, распределяются во всех сечениях равномерно. Тем не менее при испытании на сжатие различных материалов наряду с цилиндрами используются кубики, призмы, половинки балочек после испытания на изгиб.
Размер образцов влияет на результат испытания материалов на
прочность. При прочих равных условиях с увеличением размеров
опытных образцов показатели их прочности снижаются. Это объясняется тем, что в больших образцах с наибольшей вероятностью
встречаются дефекты структуры материала (трещины, включения
43
Эффект обоймы можно также устранить, если увеличить размер образца вдоль оси, т. е. использовать призмы со стороной основания а и высотой h при h/а > 1. В этом случае по мере увеличе-
ния высоты образца увеличивается расстояние между плитами
пресса, эффект действия «обоймы» на весь образец уменьшается
и предел прочности при сжатии понижается. Опытным путем установлено, что снижение прочности происходит до h/а = 4, после чего
Rcж становится почти стабильным и равным приблизительно 3/4 кубиковой прочности. На основании отмеченного факта при проектировании железобетонных конструкций используют призменную
прочность на сжатие как величину, в наибольшей степени характеризующую действительную прочность бетона.
Значения разрушающей нагрузки при испытании материалов
зависят от скорости ее приложения. При большой скорости нагружения не успевают развиваться пластические деформации и разрушение испытуемых образцов происходит при большей Pразр.. В этом
случае получаются завышенные пределы прочности.
Результаты испытания на прочность зависят также от геометрической правильности образцов: противоположные грани должны
быть параллельны, опорные поверхности должны быть ровными
и гладкими. Несоблюдение этих требований приводит к искажению
получаемых результатов.
Из изложенного следует, что показатели прочности являются
весьма условными величинами, зависящими от многих факторов. Для
получения достоверных результатов испытание материалов на прочность необходимо производить в точном соответствии с методиками
и рекомендациями соответствующих нормативных документов.
Строительные материалы неоднородны по структуре. Как уже
отмечалось, для повышения достоверности результатов испытанию
подвергают серию одинаковых образцов и вычисляют среднее значение показателя прочности. В этом случае показатели прочности
отдельных образцов распределяются в определенном интервале,
отклоняясь от среднего значения в бóльшую и меньшую стороны.
Чем более неоднороден материал, тем больше интервал вариации
частных результатов, тем менее надежен показатель прочности.
Однородность материалов является важной технической
и экономической характеристикой. Ее можно оценить по большому
числу (n) результатов одинаковых испытаний на прочность за
определенный период времени. Накопленный таким образом массив числовых данных позволяет вычислить коэффициент вариации
прочности v, %, по формуле
s
v=
100 ,
R
44
45
и пр.). Размеры образцов зависят от однородности материала: чем
однороднее материал, тем меньших размеров могут быть образцы.
В сжатом образце действуют растягивающие напряжения,
направленные перпендикулярно приложенной силе. Эти напряжения стремятся разделить образец на отдельные части по плоскостям, параллельным оси образца. В то же время между плитами
пресса и прилегающими к ним поверхностными слоями образца
действуют значительные силы трения, препятствующие деформациям расширения. Верхние слои опытного образца оказываются
как бы зажаты в обойму, удерживающую их от расширения, а значит, от разрушения. Средние же части образца, наиболее удаленные
от плит пресса, расширяются и разрушаются в наибольшей степени. После испытания на сжатие образец из хрупкого материала
приобретает форму двух усеченных пирамидок, сложенных вершинами (рис. 7). Если устранить указанное трение, например, с помощью смазки, то характер разрушения образца изменится, предел
прочности при сжатии уменьшится и будет более точно характеризовать реальную прочность материала. Однако условились при
испытании на сжатие не применять смазку, так как это усложняет
испытание и увеличивает разброс результатов.
а)
б)
Рис. 7. Характер разрушения хрупкого материала при испытании на сжатие:
а – при наличии трения в зоне прилегания к плитам пресса, б – с применением смазки опорных поверхностей образца
где s – среднее квадратичное отклонение отдельных результатов испытания от средней прочности R , МПа, вычисляемое по формуле
 (Rn − R ) .
2
s=
n −1
Низкие значения коэффициента вариации прочности материала (5–10 %) характеризуют удовлетворительную однородность его
структуры и стабильное качество. Это свидетельствует также о хорошо налаженном и эффективном технологическом процессе производства – высокой технической культуре.
Принимая во внимание, что R или марка, присваимая материалу по значению R , выражают прочность с гарантией не более 50 %,
при проектировании железобетонных конструкций для повышения
надежности используют так называемую нормативную (расчетную)
прочность бетона Rн. Нормативная прочность вычисляется с учетом
однородности бетона по формуле
Rн = R (1 − χ v ) ,
где χ – показатель надежности (обеспеченности).
В нормах на проектирование установлена требуемая обеспеченность (доверительная вероятность), равная 0,95. Это значит, что
из 100 испытанных образцов-близнецов бетона 95 образцов должны показать прочность не меньше нормативной. В теории вероятности показано, что такая надежность обеспечивается при χ = 1,64.
Таким образом, при нормативном коэффициенте вариации прочности бетона 13,5 % формула для расчета нормативной (гарантированной с обеспеченностью 95 %) прочности приобретает вид
Rн = R (1 − 1,64 ⋅ 0,135) = R ⋅ 0,778 .
Нормативные документы устанавливают классы бетона
по прочности. Класс (например, В15) присваивается по Rн и выражает числовое значение прочности при сжатии в МПа, обеспечиваемой с гарантией 95 %.
46
Прочность является главным свойством конструкционных материалов. Она в значительной мере зависит от плотности. Наилучшими в конструктивном отношении материалами считаются такие,
которые обладают высокой прочностью при минимально возможной плотности. Оценить эффективность конструкционных материалов позволяет комплексный показатель – коэффициент конструктивного качества.
Коэффициент конструктивного качества (к. к. к.)
Коэффициент конструктивного качества (к. к. к.), МПа,
вычисляется делением показателя прочности материала на его относительную плотность (d ):
к. к. к. =
R
.
d
Наиболее эффективным в конструктивном отношении является такой материал, который обладает высокой прочностью, имея
при этом низкую плотность, т. е. характеризуется высоким коэффициентом конструктивного качества. Сравнить конструктивное
качество ряда основных строительных материалов можно по данным, приведенным в табл. 3.
Таблица 3
Конструктивное качество строительных материалов
Материал
Стеклопластик
Древесина сосны
Древесина дуба
Сталь
Алюминиевый сплав
Гранит
Керамзитобетон
Тяжелый бетон
Конструкционный ячеистый бетон
Керамический пустотелый кирпич
Вулканический туф
Прочность,
МПа
490
86
108
450
150
125
12
25
10
15
10
47
Плотность,
кг/м3
2000
520
690
7850
2700
2650
1100
2400
1000
1500
1500
к.к.к.,
МПа
245
165
156
57
56
47
11
10
10
10
7
Из приведенных в таблице данных видно, что высоким конструктивным качеством обладают некоторые пластмассы, древесина.
Прочность при ударе
Прочность при ударе – способность материалов сопротивляться ударным нагрузкам, не разрушаясь. Ударная прочность
определяется у материалов, которые в процессе службы подвергаются динамическим воздействиям. Это материалы для полов, для
дорожной одежды, лакокрасочные материалы и др.
Испытание материалов на удар производится на установках,
называемых копрами. Принцип работы копров разных конструкций
заключается в том, что на стандартный образец испытуемого материала с заданной высоты сбрасывают груз установленной массы,
производя удар. Первый удар наносится с минимальной высоты,
установленной стандартом. После каждого удара образец осматривают и при отсутствии повреждений наносят последующие удары,
повышая высоту падения груза на 1–5 см. Испытание продолжают
до появления на образце повреждений (трещины, разрушение).
За характеристику прочности при ударе принимается число
ударов, необходимое для разрушения образца материала. Это число
должно быть определено как среднее арифметическое минимум
трех испытаний.
Твердость
В образец с плавно нарастающей нагрузкой вдавливается шарик из
твердого сплава диаметром 1; 2; 2,5; 5 или 10 мм. Величину нагрузки и диаметр шарика выбирают в зависимости от характеристики
материала. Твердость по Бринеллю (НВ), МПа, рассчитывается как
отношение приложенной нагрузки Р к площади поверхности отпечатка S (площадь сферы, а не площадь круга):
HB =
P
.
S
Твердость хрупких материалов (горных пород, керамических
изделий) удобно оценивать методом Мооса. В этом методе используется шкала, составленная из десяти природных минералов (шкала
Мооса), подобранных таким образом, что каждый последующий
минерал оставляет черту (царапину) на предыдущем, но сам им не
чертится. В табл. 4 приведена шкала Мооса в порядке возрастающей твердости от 1 до 10.
Таблица 4
Шкала Мооса
Единица твердости
по Моосу
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Название
минерала
Тальк
Гипс
Кальцит
Флюорит
Апатит
Ортоклаз
Кварц
Топаз
Корунд
Алмаз
Упрощенная характеристика
твердости
Легко чертится ногтем
Чертится ногтем
Легко чертится стальным ножом
С трудом чертится стальным ножом
Не чертится стальным ножом
Слегка чертит стекло
Твердость – способность материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого, тела. Сопротивление, которое
оказывает материал проникающему в него инородному телу, зависит от состава и строения материала, влажности материала, направления приложенного к нему действия и других факторов.
В настоящее время не существует единого для всех материалов способа оценки твердости. Твердость пластичных материалов
(металлов, древесины, пластмасс) определяют методами, основанными на вдавливании в испытуемый образец материала малодеформирующегося тела (индентора) в виде шарика, конуса, пирамиды. В качестве примера можно привести метод Бринелля. Испытание по методу Бринелля проводится на специальном прессе.
При определении твердости по Моосу образец испытуемого
материала помещают на ровное, твердое основание. По гладкой поверхности образца легким и равномерным нажатием проводят черту острой гранью пробного минерала шкалы Мооса. Затем поверхность осматривают. При отсутствии повреждений (царапины) опыты последовательно повторяют с более твердыми пробными
48
49
Легко чертят стекло
минералами до обнаружения повреждения поверхности. Твердость
материала, выражаемая в единицах шкалы Мооса, соответствует
твердости того пробного минерала, который предшествовал минералу, повредившему поверхность образца. Если, например, при испытании керамической плитки царапину на поверхности оставил
ортоклаз, то твердость по Моосу черепка составляет 5 единиц.
Сравнивать и сопоставлять твердость материалов, установленную разными методами, нельзя. Обычно в выражении твердости
материала указывается и метод ее определения, например: «твердость по Бринеллю», «твердость по Виккерсу», «твердость по Роквеллу», «твердость по Моосу».
Характеристика твердости используется при выборе материалов для полов, ступеней лестниц, дорожных покрытий, а также при
определении способа механической обработки материала. По твердости можно косвенно судить о прочности, истираемости, износу.
И=
m1 − m2
m1
100 ;
m 1 − m2
,
S
где m1 – масса образца (пробы материала) до испытания, г; m2 –
масса образца (пробы материала) после испытания, г; S – площадь
истираемой грани образца, см2.
Истираемость и износ
Истираемость и износ – это способность материалов разрушаться тонкими слоями с поверхности при трении о другие материалы или среды. Испытания материалов на истираемость и износ
связаны с приложением к материалу абразивного истирающего
усилия. Для отдельных материалов, например щебня для бетонов,
истирающее действие сочетается с ударным действием. Испытания
позволяют установить стойкость против истирания и износостойкость материалов.
Для испытания применяются специальные машины и установки: круги истирания, полочный барабан и др. В процессе испытания
материал, разрушаясь с поверхности, теряет массу или внешний
вид лицевой поверхности (обнаруживаются видимые повреждения). Истираемость и износ количественно могут быть выражены
потерей массы, отнесенной к площади истирания, г/см2, или к исходной массе (каменные материалы), которая присваивается
уменьшением толщины материала (линолеум), степенью износостойкости, %, по количеству циклов испытания (керамическая глазурованная плитка). Расчет истираемости, износа (И) производится
по формулам:
50
И=
51
Рекомендуемая литература
Оглавление
1. Алимов Л. А. Строительные материалы: учеб. для студ. учреждений
высш. проф. образования / Л. А. Алимов, В. В. Воронин. – М. : Изд. центр
«Академия», 2012. – 320 с.
2. Микульский В. Г. Строительные материалы. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учебник для студентов вузов, обучающихся по строит. специальностям / В. Г. Микульский, Г. И. Горчаков,
В. В. Козлов [и др.]; под ред. В. Г. Микульского, Г. П. Сахарова. – 6-е изд.,
доп. и перераб. – М. : АСВ, 2011. – 520 с.
3. Рыбьев И. А. Строительное материаловедение: учеб. пособие
для строит. спец. вузов / И. А. Рыбьев. – 2-е изд., испр. – М. : Высш. шк.,
2004. – 701 с.
4. Кольцов А. И. Общие свойства строительных материалов: учеб. пособие / А. И. Кольцов, В. В. Нестеренко; СПб. гос. архит.-строит. ун-т. –
СПб., 2010. – 64 с.
5. Попов К. Н. Оценка качества строительных материалов / К. Н. Попов, М. Б. Каддо, О. В. Кульков. – М. : АСВ, 1999. – 240 с.
6. Горчаков Г. Н. Строительные материалы: учеб. для вузов / Г. Н. Горчаков, Ю. М. Баженов. – М. : Стройиздат, 1986. – 688 с.
52
Введение …………………………………………………………………
Классификации строительных материалов ……………………………
Свойства строительных материалов …………………………………..
Истинная плотность, средняя плотность, насыпная плотность ….
Пористость, пустотность ……………………………………………
Водопоглощение …………………………………………………….
Капиллярное всасывание …………………………………………...
Гигроскопичность …………………………………………………..
Водостойкость ……………………………………………………….
Газопроницаемость ………………………………………………….
Водопроницаемость, водонепроницаемость ………………………
Морозостойкость ……………………………………………………
Теплопроводность …………………………………………………..
Теплоемкость ………………………………………………………..
Коэффициент линейного температурного расширения (КЛТР)....
Термостойкость, огнестойкость, огнеупорность ………………….
Акустические свойства ……………………………………………..
Деформация, упругость, пластичность, хрупкость ……………….
Прочность ……………………………………………………………
Коэффициент конструктивного качества (к.к.к.)………………….
Прочность при ударе ………………………………………………..
Твердость …………………………………………………………….
Истираемость и износ ……………………………………………….
Рекомендуемая литература ……………………………………………..
53
3
4
8
8
11
14
15
19
20
21
23
23
27
30
31
33
35
38
42
47
48
48
50
52
ДЛЯ ЗАПИСЕЙ
Учебное издание
Кукса Петр Борисович
КЛАССИФИКАЦИИ И СВОЙСТВА
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Учебное пособие
Редактор А. В. Афанасьева
Корректор К. И. Бойкова
Компьютерная верстка И. А. Яблоковой
Подписано к печати 29.12.16. Формат 60×84 1/16. Бум. офсетная.
Усл. печ. л. 3,2. Тираж 100 экз. Заказ 192. «С» 86.
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.
190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4.
Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, ул. Егорова, д. 5/8, лит. А.
54
55
ДЛЯ ЗАПИСЕЙ
56
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
653 Кб
Теги
klassik, kuksa
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа