Класифікація будівельних матеріалів

Походження	Структура	Властивості	Спосіб виготовлення	Призначення
Неорганічні: металічні, неметалічні Органічні: низькомолекулярні, високомолекулярні (полімерні), Змішані (органомінеральні)	Конгломератні, неконгломератні, щільні, пористі, волокнисті, кристалічні, склоподібні, аморфні	Важкі, легкі, пластичні, пружні, морозо-, водо-, кислото-, термо-, вогнестійкі; легкоплавкі, тугоплавкі, вогнетривкі	Безвипалювальні: отримані фізико-механічною обробкою гірських порід, деревини й іншої сировини, формуванням сумішей, що включають в’яжуче і заповнювачі, одержувані випалом: до спікання, до плавлення	Стінові, покрівельні, лицювальні, гідроізоляційні, теплоізоляційні. Спеціальні: для дорожніх покрить, зведення гребель, прокладки трубопроводів, сантехнічні та ін.

Призначення державних стандартів і технічних умов.

Основні й спеціальні властивості будівельних матеріалів можна розділити на наступні групи з урахуванням тих впливів на матеріали, які зустрічаються в експлуатаційних умовах:

параметри стану й структурні характеристики, що визначають технічні властивості: хімічна, мінеральна й фазова сполука; питомі характеристики маси (щільність і об'ємна маса) і пористість; дисперсність порошкоподібних матеріалів;

фізичні властивості: реологические властивості пластичних-грузлих матеріалів; властивості гідрофізичні, теплофизические, акустичне, електричне, визначальне відношення матеріалу до різних фізичних процесів; стійкість проти фізичної корозії (морозостійкість, радіаційна стійкість, водостійкість);

механічні властивості, що визначають відношення матеріалу до деформуючої й руйнуючої дії механічних навантажень (міцність, твердість, пружність, пластичність, крихкість і ін.);

хімічні властивості: здатність до хімічних перетворень, стійкість проти хімічної корозії;

довговічність і надійність.

Властивості матеріалів оцінюють числовими показниками, встанавливлюються шляхом випробувань у відповідності зі стандартами. У кожній країні створена єдина державна система стандартизації, що дозволяє застосовувати стандартизацію у всіх галузях народного господарства. Тим самим забезпечується ефективність дії стандартів як одного із засобів прискорення науково-технічного прогресу й підвищення якості продукції.

Державні стандарти — це обов'язковий документ для всіх підприємств, організацій і установ, незалежно від їхньої відомчої підпорядкованості, у всіх галузях народного господарства.

В області будівельних матеріалів і виробів найпоширеніші стандарти: технічних умов; технічних вимог; типів виробів і їхніх основних параметрів, методів випробувань; правил приймання, маркування, упакування, транспортування й зберігання.

Стандарти технічних вимог нормують показники якості, надійності й довговічності продукції, її зовнішній вигляд. Разом з тим такі стандарти встановлюють гарантійний термін служби й комплектність поставки виробів. Більшість стандар тов на будівельні матеріали й вироби - це стандарти технічних вимог. Значна частина вимог у стандартах пов'язана з фізико-механічними характеристиками матеріалів (об'ємною масою, водопоглиненням, вологістю, міцністю, морозостійкістю) .

Одна з особливостей державної системи стандартизації в будівництві й технології будівельних виробів полягає в тому, що крім стандартів тут діє система нормативних документів, об'єднана в Будівельні норми й правила (Снип). Снип - це звід загальносоюзних нормативних документів по проектуванню, будівництву й будівельним матеріалам, обов'язковий для всіх організацій і підприємств.

Методичну основу стандартизації розмірів у проектуванні, виготовленні будівельних виробів і при зведенні споруджень становить Єдина модульна система (ЕМС). Ця система являє собою сукупність правил координації розмірів елементів будинків і споруджень, будівельних виробів і встаткування на базі основного модуля, рівного 100 мм (позначається 1М). Застосування ЕМС дозволяє уніфікувати й скоротити число типорозмірів будівельних виробів. Це забезпечує взаємозамінність деталей, виконаних з різних матеріалів або відрізняються по конструкції. Вироби й деталі однакових типорозмірів, виготовлені відповідно до вимог ЕМС, можуть бути використані в будинках різноманітного призначення.

Основні властивості будівельних матеріалів.

Для виконання функціонального призначення у спорудах матеріали повин­ні мати необхідні властивості. Під властивостями розуміють здатність матеріалів певним чином реагувати на вплив окремих або сукупних зовнішніх чи внутріш­ніх факторів (механічних, фізичних, хімічних, біологічних та інших). Тому, оби­раючи певний матеріал з урахуванням умов експлуатації і призначення об'єкта, треба правильно визначити його властивості і всебічно оцінити їх.

Для оцінки властивостей будівельних матеріалів їх піддають різним випро­буванням у лабораторіях, використовуючи для цього спеціальні прилади, механіз­ми та вимірювальну апаратуру. Порівнюючи одержані показники з відповідними величинами, встановленими нормативними документами (стандартами, техніч­ними умовами, будівельними нормами), роблять висновок про технічну можли­вість, а враховуючи економічні показники, і економічну доцільність використан­ня даного будівельного матеріалу в конкретних умовах.

Вибір матеріалів відповідної якості і вартості для будівництва кожного об'єкта є одним з основних елементів будівельного проектування.

Визначення числових показників властивостей пов'язане з вимірюваннями, тобто з порівнянням з іншою однорідною величиною, що береться за одиницю виміру. Сукупність одиниць виміру, створена за певним принципом, називаєть­ся системою одиниць. В нашій країні прийнято Міжнародну систему одиниць (SI), застосування якої є обов'язковим при різних вимірюваннях, в тому числі при вимірюванні властивостей будівельних матеріалів.

Фізичні властивості

Фізичні властивості характеризують особливості фізичного стану матеріалу, а також його здатність реагувати на зовнішні фактори, що не впливають на хіміч­ний склад матеріалу.

До фізичних властивостей матеріалів належать: істинна та середня густина, пористість, вологість, водопоглинання, водопроникність, морозостійкість та ін.

Істинна густина р - це маса одиниці об'єму матеріалу в «абсолютно» щіль­ному стані (без пор, пустот), найчастіше її визначають у г/см³.

Майже всі будівельні матеріали мають пористу будову, за винятком скла, кварцу, ситалу, сталі та деяких інших, які можна вважати «абсолютно» щільни­ми. Тому, щоб визначити «абсолютний» об'єм випробовуваного твердого матері­алу, його висушують до сталої маси т_с й тонко подрібнюють, щоб кожна частин­ка не мала в собі пор. Одержаний порошок засипають у спеціальний прилад (пік­нометр або об'ємомір), заповнений інертною рідиною по відношенню до речови­ни, що випробовується (водою, бензином, гасом тощо), і за об'ємом витісненої ним рідини встановлюють «абсолютний» об'єм матеріалу У_а.

Для рідких та в'язких будівельних матеріалів (рідинне скло, розчини хіміч­них добавок тощо) р визначають за допомогою ареометра, занурюючи його в рі­дину й фіксуючи рівень рідини за шкалою як показник істинної густини.

Для більшості неорганічних природних і штучних будівельних матеріалів істин­на густина становить 2,4...3,3 г/см³, за винятком металів (для сталі р=7,85 г/см³), а для органічних матеріалів - 0,8...1,6 г/см³.

Показник р - довідкова величина, яка застосовується для виконання дея­ких розрахунків, наприклад, визначення показника пористості.

Істинна густина

Середня густина р_т - це маса одиниці об'єму матеріалу в природному стані (разом з порами і пустотами):

p_m = m/V,

де m — маса матеріалу в природному стані, кг. або гр.;

V — обсяг матеріалу в природному стані, м³ чи див³.

Середня густина найчастіше вимірюється у кг/м³, проте можна також використовувати одиниці г/см і т/м .

У разі потреби середню густину встановлюють для матеріалів, що перебувають у будь-якому стані: зволоженому, повітряно-сухому або сухому (тобто висушеному до сталої маси). Для визначення середньої густини масу випробовуваного матеріалу знаходять зважуванням, а об'єм для зразків правильної геометричної форми - звичайним вимірюванням, неправильної форми (для пористих матеріалів - після покриття тонким шаром парафіну або повного насичення водою) - в об'ємомірі за об'ємом витісненої інертної рідини.

Середню густину сипких матеріалів (цементу, вапна, піску, щебеню, гравію тощо) називають насипною густиною.

Насипна густина ρ_н - це відношення маси сипкого матеріалу до його об'єму, включаючи простір між частинками, її визначають для зернистих і порошкоподібних матеріалів. Наприклад, для кварцового піску насипна густина становить ρ_н =1450... 1600 кг/м³, в той час як істинна - ρ=2,50...2,65 г/см³. Середня густина залежить від хімічного та мінералогічного складів матеріалу, але більшою мірою - від розміру та кількості пор і пустот. Чим їх більше, тим легший матеріал. З підвищенням вологості показник ρ_Т збільшується.

Середня густина має велике практичне значення для виконання різних розрахунків (обсягів транспортування, складування матеріалів, міцності конструкцій). Вона тісно пов'язана з іншими властивостями будівельних матеріалів (пористістю, міцністю, теплопровідністю, водонепроникністю), що дає змогу, орієнтуючись на показник ρ_т, визначати доцільні галузі їхнього використання у будівництві.

Матеріал	Густина, кг/м3
	істинна	середня
Сталь	7850-7900	7800-7850
Граніт	2700-2800	2600-2700
Вапняк (густий)	2400-2600	1800-2400
Пісок	2500-2600	1450-1700
Цемент	3000-3100	900-1300
Керамічна цегли	2600-2700	1600-1900
Бетон важкий	2600-2900	1800-2500
Сосна	1500-1550	450-600
Поропласти	1000-1200	20-100

Пористістю матеріалу називають ступінь заповнення його обсягу порами. Пористість П доповнює щільність до 1 чи до 100 % і визначається по формулах:

П =( 1 — р_т/р).100%

Пористість різних будівельних матеріалів коливається в значних межах і складає для цегли 25—35, важкого бетону 5—10, газобетону 55— 85, пінопласту 95 %, пористість скла і металу дорівнює нулю. Великий вплив на властивості матеріалу робить не тільки величина пористості, але розмір і характер пор. Дрібні замкнуті пори, рівномірно розподілені по всьому обсягу матеріалу, додають матеріалу теплоізоляційні властивості.

Пористiсть є важлйвою характеристикою. з нею пов’язанi такi технiчнi властивостi матерiалу, як мiцнiсть, водопоглинання, морозостійкість. Теплопровідність тощо. Легкi пористі матерiали мають зазвичай невелику міцність і велике водопоглинання, щільні (Пі = 0...0,8%)- значну мiцнiсть i незначне водопоглинання.

Проте, крiм кiлькостi пор у матерiалi, на його властивості істотно впливає також характер пористості. Матерiали можуть бути крупнопористими з розмiрами пор вiд 1О до З мм i дрiбнопористими з розмiрами пор 10...10 мм. Самі пориможуть бути закритими, тобто недоступними для заповнення водою, i вiдкритими.

Для дослiдження пористостi використовують порометрію - сукупнiсть методiв, якi дозволяють визначити розподiл пор у матерiалі за розмірами.

Будiвельнi матерiали навiть iз значноною пористістю, але з невеликими або переважно закритими порами мають невелике водопоглинання і значну морозостійкість, тоді як матеріали з таким самим числовим показником пористості. Але з відкритими порами не можуьб застосовуватися у місцях з високою вологістю.

Таким чином, вибираючи матеріал для різних за призначенням споруд та умов експлуатації, необхідно орієнтуватися не лише на числове значення пористості, а й на будову пор.

Щiльнiсть - це ступінь заповнення об’єму матерiалу твердою речовиною.

Пустотнiсть характеризусться наявнiстю порожнин (пустот) у будiвельних виробах (порожниста цегла, панелi) або мiж зернами в сипких маТерiалах (пiсок, щебiнь) i визначасться в процентах вiд загального об виробу чи матерiалу.

Пустотнiсть виробiв сприяс зниженню маси будiвельних конструкцiй i полiпшенню теплозахисних властивостей,

Пустотнiсть можна обчислити за тими самими формулами, що й пористiсть, проте для пiску замiсть Рт потрiбно брати насипну густину, для щебеню та гравiю замiсть Рт - середню густину зерна та насипну густину заповнювача, а для виробiв замiсть р - середню густину виробу,

Приклади показника пустотностi: керамiчна порожниста цегла - 15...50%, щебiнь i пiсок -35...45%.

Для капілярно-пористих матеріалів характерна здатність зволожуватися за рахунок підйому і переміщення води під дією капілярного тиску (капілярне всмоктування). З нею зв’язаний підйом води в матеріалах, прямо пропорційний косинусу крайового кута змочування, тобто ступеню гідрофільності, і протилежно пропорційний радіусу капілярів. Капілярне всмоктування мінералізованих вод може супроводжуватися відкладенням у порах солей (сольова корозія). Капілярне всмоктування використовується для просочення пористих матеріалів, наприклад, просочення бітумом залізобетонних конструкцій.

Водопоглинання - властивiсть матерiалу вбирати й утримувати в собi воду. Щоб визначити водопоглинання, зразок матерiалу поступово занурюють у воду й витримують там до досягнення ним стало маси.

Повне водонасичення матерiалу (до остаточного заповнення достугiних для води пор) досягасться його кип’ятiнням з наступним охолодженням у водi або пiд вакуумом.

Водопоглинання за масою Wu визначають як вiдношення кiлькостi поглинутої води mв до маси сухого матерiалу mс:

де –mн,mс - маса матерiалу у насиченому водою та у сухому станi, г.

Водопоглжання за об’ємом W0 характеризується ступенем заповненостi пор матерiалу водою при насиченнi, виражасться вiдношенням об’єму поглинутої води Vв до загального об’єму матерiалу в природному станi V:

Водопоглинання за об’ємом завжди менше 100%, а за масою для дуже пористих матерiалiв (теплоiзоляцiйних) з вiдкритими порами може значно перевищувати 100%, що мае мiсце, наприклад, для пiнополiуретану.

Таким чином, водопоглинання матерiалу пов’язане з показником середньої густини, залежить вiд характеру пористостi й коливаеться в широких межах для рiзних будiвельних матерiалiв, % за масою: для керамiчно цегли - 8...20, важкого бетону - 2...б, вапняку - 1,5...3, гранiту - 0,02...0,70.

Насичення матерiалiв водою iстотно позначаеться на iнших властивостях: пiдвищуеться середня густина, теплопровідність. Зміна водопоглинання може вказувати на зміну й інших властивостей матеріалів, наприклад міцності, морозостійкості, хімічної стійкості, тому даний показник часто нормується. Так, глиняна цегла повинна мати водопоглинання не менш 6 чи 8 % (у залежності від марки), а силікатна – не більш 16 % (14 % – лицьова). Для звичайних торф’яних плит водопоглинання повинне бути не більш 180 %, а водостійких – 50 % і т.д. Водопоглинання визначається витримуванням зразків у воді при нормальній температурі чи при кип’ятінні протягом визначеного часу.

. Зміна водопоглинання може вказувати на зміну й інших властивостей матеріалів, наприклад міцності, морозостійкості, хімічної стійкості, тому даний показник часто нормується. Так, глиняна цегла повинна мати водопоглинання не менш 6 чи 8 % (у залежності від марки), а силікатна – не більш 16 % (14 % – лицьова). Для звичайних торф’яних плит водопоглинання повинне бути не більш 180 %, а водостійких – 50 % і т.д. Водопоглинання визначається витримуванням зразків у воді при нормальній температурі чи при кип’ятінні протягом визначеного часу.

Стійкість матеріалу, насиченого водою, до поперемінного заморожування і відтаювання називається

м о р о з о с т і й к і с т ю Показником морозостійкості є число циклів (для деяких матеріалів – від'ємна температура), що витримують зразки при припустимому ступені руйнування. Для більшості будівельних матеріалів після іспиту їх на морозостійкість зниження міцності допускається не більш 25 %, а втрати маси – 5 %. Морозостійкість залежить від складу, пористості і структури порового простору; вона знижується зі зменшенням водостійкості і ростом водопоглинення матеріалів.

Випробування матеріалів на морозостійкість ведуть у морозильних камерах звичайно при –15...–18 °С, коли в більшості капілярів вода переходить у лід. Подальше зниження температури веде до істотного зменшення морозостійкості, що пояснюється залученням у процес руйнування усе більш тонких капілярів.

Здатність матеріалів не пропускати воду під тиском називають в о д о н е п р о н и к н і с т ю . Практично водонепроникними вважаються матеріали, відносна щільність яких наближається до одиниці (метали, скло, полімери). Високу водонепроникність мають матеріали із замкненими порами, а також ті, що вміщують в основному мікрокапіляри (кераміка, тонкодисперсні глини й ін.). Порівняно низька водонепроникність характерна для матеріалів зі сполученими капілярами.

Водонепроникність матеріалів виміряється трьома методами: тиском води, що витримує зразок протягом заданого часу без появи ознак фільтрації; часом, необхідним для проходження заданого об'єму води при постійному тиску; кількістю води, яка просочилася протягом заданого часу при встановленому тиску. Найбільш розповсюджений перший метод. Він застосовується для оцінки водонепроникності бетону, рулонних гідроізоляційних матеріалів, асфальтових мастик і т.д.

Водостійкість. Зволоження багатьох матеріалів знижує їхню міцність. Ступінь зниження міцності матеріалу, насиченого водою, характеризується коефіцієнтом разм’якшення

К_р= R_нас. /R_сух.

де R_нас. — міцність матеріалу в насиченому водою стані, МПа; R_сух. - те ж, у сухому стані, МПа.

Значення К_р для різних матеріалів коливається від 0 (необпалена глина) до 1 (скло, сталь, бітум).

Здатність матеріалів зберігати міцність при насиченні водою називається в о д о с т і й к і с т ю.

Коефіцієнт розм’якшення наближається до нуля для глинистих невипалених матеріалів і до одиниці – для металів, скла, полімерів. Для водостійких матеріалів К_р = 0,75…0,8. Підвищення його досягається гідрофобізацією, а також технологічними прийомами, що сприяють зниженню розчинності і пористості матеріалів. Наприклад, коефіцієнт розм’якшення гіпсових виробів можна підвищити майже в 2,5 рази (від 0,3 до 0,7), замінивши будівельний гіпс на змішане гіпсоцементнопуцоланове в’яжуче.

Вологiсть W - вмiст вiльно води в порах i на поверхнi матерiалу. Вологiсть визначають у процентах за масою або обемом. Вона може бути абсолютною або вiдносною.

абсолютну вологiсть Wа визначають як вiдношення маси вологи, яка знаходиться у матерiалі до маси сухого матерiалу:

а вiдносну Wв, — як вiдношення маси вологи до маси матерiалу у вологому станi:

де mв, mс - маси, вiдповiдно, вологого та сухого матерiалу, г.

Вологiсть матерiалу в будiвельних конструкцiях залежить вiд вологостi навколишнього середовища, атмосферних явищ (дощ, танення снiгу). ‘з зволоженням погiршуються теплозахиснi властивостi, морозостiйкiсть та iншi показники.

Будiвельнi матерiали i вироби пiд час транспортування, зберiгання i експлуатацi зазнають дi води або водяноУ пари. При цьому капiлярно-пористi матерiали зволожуються за рахунок поглинання вологи з оточуючого повiтря або при безпосерсдньому контактi з водою. Тому будiвельнi матерiали у спорудах зазвичай перебувають у зволоженому станi.

Гідрофізичні властивості. Поводження матеріалів у конструкціях, які підлягають зволоженню, залежить від їхньої здатності змочуватися водою і поглинати її, змінювати при зволоженні механічні властивості і пропускати воду під тиском. Кількість води, що міститься в порах і на поверхні матеріалу, виражена у відсотках стосовно його маси в сухому стані, називають вологістю.

Змочуваність водою, чи гідрофільність матеріалу характеризується ступенем розтікання краплі води на його поверхні.

Г і г р о с к о п і ч н і с т ь – здатність матеріалу поглинати водяні пари з повітря в результаті адсорбції. Кількість адсорбованої води росте з підвищенням відносної вологості, зниженням температури і збільшенням тиску.

Капілярне всмоктування використовується для просочення пористих матеріалів, наприклад, просочення бітумом залізобетонних конструкцій.

Теплофізичні властивості. У цю групу входять властивості матеріалів, що характеризують їхнє відношення до зміни температури. Здатність матеріалу поглинати теплоту при нагріванні на 1 градус називають т е п л о є м н і с т ю.

Матеріали здатні як поглинати, так і передавати теплоту. Один з видів теплопередачі, при якому перенос теплоти здійснюється за рахунок коливання атомів чи руху і взаємодії електронів, називається

т е п л о п р о в і д н і с т ю. Теплопровідність - властивість матеріалу передавати через товщу теплоту при наявності різниці температур на поверхнях обмежуючих матеріал. Матеріали кристалічної будови більш теплопровідні, чим аморфної. Знати теплопровідність необхідно при теплотехнічному розрахунку товщини стін та перекриттів , а також при визначенні потрібної товщини теплової ізоляції гарячих поверхонь.

Теплопровідність більшості будівельних матеріалів збільшується з підвищенням температури, причому ця залежність в інтервалі від 0 до 100 °С має характер близький до лінійного. Різко підвищується теплопровідність також зі збільшенням вологості матеріалів. В міру підвищення пористості, особливо об'єму дрібних замкнутих пор, теплопровідність матеріалів понижується.

Теплопровідність – найважливіший критерій теплоізоляційних властивостей матеріалів. При впливі на матеріали високих температур важливе значення мають їхня теплостійкість, термо- і вогнетривкість, вогнестійкість.

Т е п л о с т і й к і с т ь – властивість матеріалу зберігати експлуатаційні характеристики (наприклад, міцність, пластичність, ударну в’язкість) при механічному і хімічному впливі в умовах високої температури. Жаростійкість – це здатність матеріалу витримувати тривале нагрівання до 1000°С без зміни експлуатаційних характеристик. До жаростійких відносять різні керамічні і металеві матеріали, ситали, спеціальні бетони.

Т е р м о с т і й к і с т ь – це здатність матеріалів витримувати без руйнування циклічні зміни температури. Підвищену термостійкість мають матеріали з низьким коефіцієнтом термічного розширення (плавлений кварц, спеціальне скло), високою теплопровідністю і низьким модулем пружності (метали).

Здатність матеріалів зберігати свої експлуатаційні властивості при впливі вогню в умовах пожежі називають в о г н е с т і й к і с т ю. Межею вогнестійкості є тривалість опору впливу вогню до втрати несучої здатності (суттєвого зниження міцності і значних деформацій). Наприклад, у бетону межа вогнестійкості 2…5 год., у залізобетону – 1…2 год., у металевих конструкцій – 0,5 год.

В о г н е т р и в к і с т ь – це здатність матеріалів протистояти впливу високих температур не розплавляючись. Вона характеризується температурою, при якій зразок усіченої піраміди розм’якшується так, що його вершина, нахиляючись, торкається основи. Для вогнетривких матеріалів (динас, шамот, корунд і ін.) ця температура не нижче 1580°С. Паро і газопроникність - властивість матеріалу пропускати через свою товщу під тиском водяний пар або гази (повітря). Повітряпроникність слід враховувати при застосуванні матеріалів в зовнішніх стінах та покровах будівлі, а газопроникність - при застосуванні їх в конструкціях спец споруд.

Механічні властивості.

Механічні властивості характеризують здатність матеріалу пручатися дії зовнішніх сил чи інших факторів (наприклад, температурних), що викликають у ньому внутрішні напруження стиску, розтягання чи зрушення. Основні механічні властивості будівельних матеріалів: міцність, твердість, зносостійкість, деформативність (пружність, пластичність).

Міцність — властивість матеріалу у визначених умовах і межах сприймати навантаження чи впливи, що викликають у ньому внутрішні напруження, без руйнування.

На практиці руйнування матеріалу починається значно раніш того моменту, коли напруги в ньому досягнуть теоретичного граничного значення. Це порозумівається тим, що в реальних матеріалах багато дефектів усілякого рівня (починаючи від молекулярного і кінчаючи макродефектами, наприклад тріщинами).

Міцність матеріалу характеризується значенням межі міцності, напругою у випробуваному зразку матеріалу в момент його руйнування.

У залежності від характеру додатка навантаження і виду виникаючих напруг розрізняють міцність при стиску, розтяганні, вигині, сколюванні (зрізі).

Межа міцності матеріалу визначають на зразках, форму і розміри яких установлюють стандарти на цей матеріал. Так, для оцінки міцності бетону прийняті зразки-куби розміром 150x150x150 мм.

Для іспиту матеріалів застосовують спеціальні машини, постачені механізмом для силового впливу на зразок і вимірювальні пристрої. Так, межу міцності при стиску визначають за допомогою гідравлічних пресів, що розвивають зусилля до 10³ кН (100 т) і більш.

Міцність при стиску, розтяганні і вигині в того самого матеріалу може сильно розрізнятися.

У природних і штучних кам'яних матеріалів міцність при стиску в 5. ..15 разів вище, ніж при вигині і розтяганні. У деревини, навпаки, міцність при вигині вище міцності при стиску (у 1,5...2 рази).

Міцність деревини при стиску уздовж волокон близька до міцності бетону, а при вигині вона міцніше бетону більш ніж у 10 разів.

М і ц н і с т ь – це опір матеріалів руйнуванню під дією зовнішніх навантажень. Вона обумовлена взаємодією часток (атомів, чи молекул іонів), що складають матеріали. Фактична міцність матеріалів нижча теоретичної через наявність домішок і дефектів структури.

В залежності від будови й умов випробування руйнування матеріалів може бути крихким чи пластичним. Перше характерно для природних і штучних кам’яних матеріалів, скла, друге – для металів, сплавів, полімерів.

Процес руйнування матеріалу починається з виникнення в ньому мікротріщин, що під дією навантаження розвиваються до критичного розміру, від чого матеріал руйнується. Максимальна напруга, при якій матеріал руйнується під дією зростаючого навантаження, називається межею міцності. При тривалому прикладанні, а також багаторазовому повторенні навантаження, руйнування можливе і при напруженнях, менших межі міцності. Міцність залежить також від температури, характеру середовища і виду напруженого стану (стиску, розтягу, вигину, зрізу, крутіння чи комбінованого впливу). Міцність матеріалів зменшується зі збільшенням їхньої пористості, що приводить до зниження кількості зв’язків між структурними елементами і нерівномірного розподілу навантаження.

У лабораторних умовах міцність визначають руйнуванням контрольних зразків за допомогою гідравлічних пресів, розривних і інших випробувальних машин. Для крихких матеріалів основними міцнісними характеристиками є границя міцності при стиску (R_ст) і при згині (R₃), а для пластичних – при розтягу (R_р). Границю міцності при стиску і розтягу визначають за формулою:

де Р_mах – максимальне навантаження, Н; F₀ – початкова площа поперечного перерізу зразка, м²; α – перевідний коефіцієнт від міцності випробовуваних зразків до міцності зразків стандартної форми і розмірів. Для границі міцності при згині балки прямокутного перерізу й одному зосередженому зусиллі

де – відстань між опорами, м; b і h – ширина і висота поперечного перерізу зразка, м.

Прогресивними способами визначення міцності матеріалів безпосередньо у виробах і конструкціях є неруйнівні способи за допомогою ультразвукових, механічних і інших методів.

Опір матеріалів руйнуванню чи деформуванню в поверхневому шарі при місцевих силових впливах характеризує т в е р д і с т ь. Твердість матеріалів можна розглядати як їх міцність при вдавлюванні. Відношення навантаження до площі поверхні відбитку називають числом твердості. Твердість — здатність матеріалів пручатися проникненню в них інших матеріалів. Твердість — величина відносна, тому що твердість одного матеріалу оцінюється стосовно іншого. Найпростіший метод визначення твердості — по шкалі твердості. У цю шкалу входять 10 мінералів, розташованих по зростаючій твердості, починаючи від тальку (твердість 1) і кінчаючи алмазом (твердість 10). Твердість досліджуваного матеріалу визначають, послідовно дряпаючи його вхідними в шкалу твердості мінералами.

Звичайно твердість визначають на спеціальних приладах. Так, для оцінки твердості металів і інших твердих матеріалів застосовують методи Бринелля чи Роквелла, засновані на вдавленні під визначеним навантаженням у випробуваний зразок кульки з загартованої сталі чи алмазного конуса. По діаметру відбитка розраховують число твердості .

Висока міцність матеріалу не завжди говорить про його твердість. Так, деревина по міцності при стиску дорівнює бетону, а при вигині і розтяганні в багато разів перевершує його, але значно уступає бетону у твердості.

Зносостійкість — здатність матеріалу протистояти впливу на нього сил тертя й ударних впливів від предметів, що рухаються. Визначають її на спеціальних приладах, постачених абразивними насадками і моделюючих реальний процес зношування. Зносостійкість — важлива властивість матеріалів, використовуваних для покрить підлог, доріг і т.п.

Для ряду матеріалів важливими властивостями є також стиранність і ударна міцність. С т и р а н н і с т ь характеризується втратами маси зразка, що віднесені до одиниці поверхні, і визначається на спеціальних приладах, а ударна (динамічна) міцність – роботою, витраченою на руйнування зразка при ударі, тобто при короткочасних навантаженнях високої інтенсивності. Ударна міцність — це здатність матеріалу протидіяти руйнуванню при короткочасному навантаженні ударного характеру. Природні й штучні кам'яні матеріали, які застосовують для влаштування доріг, підлог, фундаментів під молоти, зазнають у процесі експлуатації ударних впливів.

Ударна міцність металів визначається роботою, затраченою для ударного злому й віднесеною до робочої площі поперечного перерізу F зразка, як правило, у місці надрізу. Ударну міцність, Дж/м , визначають зазвичай для зразків мета­лів на маятникових копрах

Д е ф о р м а т и в н і в л а с т и в о с т і. Ця група механічних властивостей характеризує деформації матеріалу, тобто їхню здатність змінювати форму і розміри без зміни маси. Розрізняють пружні, або цілком оборотні, необоротні або пластичні, а також складні пружнопластичні чи пружнов’язкопластичні деформації.

Під дією зовнішніх сил у будівельних конструкціях виникають деформації різного походження. Деформативні властивості матеріалів визначаються пружністю, пластичністю, крихкістю.

Пружність і пластичність. Якщо взяти дві кульки — гумову і глиняну — і почати їх стискати, то вони обоє під дією прикладеної сили деформуються. Як тільки припиняється дія сили, гумова кулька відновлює свою форму, а глиняна залишиться деформованою.

Матеріали, що ведуть себе подібно гумовій кульці, тобто які відновлюють свою форму і розміри після зняття навантаження, називаються пружними. Кількісною мірою пружності служить модуль пружності.

Матеріали, що ведуть себе подібно глині,, називаються пластичними. Відповідно оборотні деформації називаються пружними деформаціями, а необоротні — пластичними.

До пружних матеріалів відносяться природні і штучні кам'яні матеріали, скло, сталь; до пластичних — бітуми (при позитивних температурах), деякі види пластмас, свинець, бетонні і розчинні суміші до затвердіння.

Пружність - це здатність твердого тіла деформуватися під дією зовнішніх сил і самочинно вщновлювати початкову форму та об'єм після припинення дії навантаження. Початкова форма може відновлюватися повностю або частково (коли навантаження велике). Пружну деформацію, яка повностю зникає із знят-тям зовношніх сил, називають оборотною. Якщо форма тіла відновлюється частково, то мають місце залишкові деформації. Для деяких високоеластичних матеріалів (еластомери), наприклад, каучуку, пружна деформація може перевищувати 100% внаслідок розриву зв'язків випрямлених молекул, тобто об'єм матеріалу після зняття навантаження може бути більшим за початковий.

Граница пружності — це те найбольше напруження, при якому залишкові де-формації мають найменше (допустиме за нормами) значення, тобто матеріал практично зазнає оборотних пружних деформацій. В області пружних деформацій справедливий закон Гука – деформація матеріалу прямо пропорційна діючому напруженню.Модуль пружності зв’язаний з міцністю і твердістю матеріалів і змінюється зі зміною складу, температури й інших факторів.

Для природних і штучних кам’яних матеріалів, скла, металів пружна деформація незначна. Чим вище модуль пружності, тим менше матеріал деформується. Так, модуль пружності каучуку 10...20 МПа, а сталі — 200 000 МПа, це значить, що під дією однієї і тієї ж сили деформація сталі буде в 10 000 разів менше, ніж каучуку за інших рівних умов.

При збільшенні діючої сили напруги в матеріалі зростають і можуть перевищити силу зчеплення часток — матеріал зруйнується.

На практиці руйнування матеріалу починається значно раніш того моменту, коли напруги в ньому досягнуть теоретичного граничного значення. Це порозумівається тим, що в реальних матеріалах багато дефектів усілякого рівня (починаючи від молекулярного і кінчаючи макродефектами, наприклад тріщинами).

Пластичність — це властивість матеріалу змішувати без руйнування форму та розміри під впливом навантаження або внутрішніх напружень, стійко зберіга-ючи утворену форму і розміри після припинення цього впливу. Такі пластичні (залишкові) деформації називають необоротними. Пластичність деяких будівель-них матеріалів змінюється під дією температури: при нагріванні - підвищується, при охолодженні - знижується. До таких матеріалів належать бітуми, деякі сорти сталі і ряд полімерних матеріалів. . Здатність до пластичних деформацій без помітного збільшення навантаження називають текучістю. За певних умов для ряду матеріалів (бетону, металів, кераміки) характерна повзучість – безперервне повільне зростання деформації при постійному навантаженні

Крихкість — це властивість твердих матеріалів руйнуватися під впливом ме-ханічних напружень, які в них виникають, без помітної пластичної деформації. Ця властивість протилежна пластичності. Для крихких матеріалів характерно слабкий отр ударним навантаженням, а також великий розкид показників границі мщності при стиску та розтягу. Наприклад, для щільних та міцних кам'яних (природних) матеріалів К_р=( 1/40... 1/60) іт. До крихких матеріалів належать також скло, чавун, бетон і деякі полімерні матеріали.

Крихкість і пластичність будівельних матеріалов можуть змінюватися не лише під дією температури, а також зі зміною вологості та швидкості нарощування наватаження, що діє на них. Наприклад, глина в сухому стані крихка, а у зво-ложеному (глиняне тісто) - пластична.

Повзучість - це властивість матеріалів повільно та безперервно пластично деформуватися під впливом постійного навантаження. Для деяких матероалов (бетону, гіпсових, азбестоцементних виробів) ця здатність спостерогається при звичайних температурах, для металів - при подвищених.

Здатність матеріалів руйнуватися без помітної пластичної деформації називають крихкістю, а їх опір розвитку пластичних деформацій – в’язкістю. Один і той самий матеріал в залежності від вихідних умов: виду напруженого стану, температури, середовища, швидкості деформування – може знаходитися в крихкому чи пластичному стані. Наприклад, багато металів, асфальт і інші матеріали при нормальній температурі - пластичні, а при низькій – крихкі.

Хімічні властивості відбивають здатність матеріалу до хімічних перетворень при взаємодії з речовинами, що контактують з ним: стійкість щодо дії мінералізованих середовищ, кислотно- та лугостійкість, токсичність тощо.

Технологічні властивості визначають здатність матеріалу піддаватись технологічній переробці під час виготовлення та наступній обробці: технологічність, полірувальність, подрібнюваність, гвоздимість, оброблюваність, розпилюваність, абразивність, формівність, розшаровуваність, злежуваність тощо.

Спеціальні властивості: декоративність, акустичні властивості, електропровідність, прозорість, газопроникність, радіоційна непроникність.

Експлуатаційні властивості характеризують здатність матеріалу чинити опір руйнівній дії зонішніх факторів: атмосферо- та повітростійкість, біостійкість, корозійна стійкість, старіння, надійність тощо.

Контрольні запитання

1. Мета та завдання будівельного матеріалознавства.

2.Призначення державних стандартів і технічних умов.

3.Класифікація властивостей будівельних матеріалів.

4.Назвіть основні фізичні властивості, дайте визначення, нааведіть розрахункові формули.

5.Які ви знаєте механічні властивості , дайте визначення, нааведіть розрахункові формули.

6. Поняття про спеціальні властивості.