1.Физические свойства строительных материалов (параметры структуры, плотность, пористость, пустотность) – определение, формулы, единицы измерения, взаимосвязь с другими свойствами, примеры численных значений.

Под структурой (от лат. struktura — строение) материала по­нимают его внутреннее строение, обусловленное формой, размерами, взаимным расположением составляющих его частиц, пор, капилляров, микротрещин. Структуру, видимую невоору­женным глазом или при небольшом увеличении, называют макроструктурой (от греч. macros — большой), а под микроско­пом — микроструктурой (от греч. micros — малый).

Структура материала может быть однородной и неоднород­ной, зернистой (рыхлозернистой, конгломератной), ячеистой (мелко-, средне- и крупнопористой), волокнистой, слоистой и др. Материалы, состоящие из отдельных, не связанных между собой зерен, образуют рыхлозернистую структуру — это песок, гравий, порошкообразные материалы, различные засыпки для тепло- и звукоизоляции. Конгломератная структура — это когда отдельные зерна надежно соединены между собой (бетоны, не­которые природные и керамические материалы). Ячеистая структура характерна для материалов, имеющих макро- и ми­кропоры (пено- и газобетоны, газосиликаты, ячеистые пласт­массы). Волокнистую структуру имеют материалы, у которых волокна расположены параллельно одно другому. При этом они обладают различными свойствами вдоль и поперек воло­кон, так называемые анизотропные материалы. Слоистую структуру имеют листовые, рулонные и плитные материалы (текстолит, бумажнослоистый пластик и др.).

Физические свойства определяются параметрами физическо­го состояния материалов под воздействием внешней среды и условий их работы (действие воды, высоких и низких темпера­тур и т. п.).

Истинная плотность - величина, определяемая отношением массы однородного материала m (кг) к занимаемому им объему в абсолютно плотном состоянии Va (м³), т. е. без пор и пустот:

Размерность истинной плотности - кг/м³ или г/см³.

Истинная плотность каждого материала - постоянная физи­ческая характеристика, которая не может быть изменена без из­менения его химического состава или молекулярной структуры.

Так, истинная плотность неорганических материалов, природ­ных и искусственных камней, состоящих в основном из оксидов кремния, алюминия и кальция, составляет 2400...3100 кг/м³, органических материалов, состоящих в основном из углерода, кислорода и водорода, - 800... 1400, древесины, состоящей в ос­новном из целлюлозы, - 1550 кг/м³. Истинная плотность метал­лов колеблется в широком диапазоне: алюминия - 2700 кг/м³, стали - 7850, свинца - 11300 кг/м³.

В строительных конструкциях материал находится в естест­венном состоянии, т. е. занимаемый им объем обязательно включает в себя и поры. В этом случае для характеристики фи­зического состояния материала используется понятие средней плотности.

Средняя плотность - величина, определяемая отношением массы однородного материала m (кг) к занимаемому им объему в естественном состоянии V_e (м³):

Так как V_e > V_a (равенство только в абсолютно плотных мате­риалах, не содержащих пор, - стали, стекле, воде), то всегда вы­полняется и соотношение р_и > р_с.

Средняя плотность - важная физическая характеристика материала, изменяющаяся в зависимости от его структуры и влажности в широких пределах: от 5 (пористая пластмасса) до 7850 кг/м³ (сталь). Средняя плотность оказывает существенное влияние на механическую прочность, водопоглощение, тепло­проводность и другие свойства материалов.

Пористость - степень заполнения объема материала порами. Пористость - величина относительная, выражается в процентах или долях объема материала. Если известны значения средней и истинной плотности, то пористость материала, %, рассчиты­вают по формуле:

Пористость строительных материалов колеблется в пределах от 0 (сталь, стекло) до 90...98 % (пенопласт)

Пористость материала характеризуют не только с количест­венной стороны, но и по характеру пор: замкнутые и откры­тые, мелкие (размером в сотые и тысячные доли миллиметра) и крупные (от десятых долей миллиметра до 2...5 мм). По харак­теру пор оценивают способность материала поглощать воду. Так, полистирольный пенопласт, пористость которого достигает 95 %, имеет замкнутые поры и практически не поглощает воду. В то же время керамический кирпич, имеющий пористость в три раза меньшую (т. е. около 30 %), благодаря открытому характеру пор (большинство пор представляют собой сообщающиеся ка­пилляры) активно поглощает воду.

Величина пористости в значительной мере влияет на проч­ность материала. Строительный материал тем слабее сопротив­ляется механическим нагрузкам, тепловым, усадочным и другим усилиям, чем больше пор в его объеме. Опытные данные пока­зывают, что при увеличении пористости от 0 до 20 % прочность снижается почти линейно.

Величина прочности также зависит от размеров пор. Она возрастает с их уменьшением. Прочность мелкопористых мате­риалов, а также материалов с закрытой пористостью выше, чем прочность крупнопористых и с открытой пористостью.

Для сыпучих материалов (цемент, песок, гравий, щебень) рассчитывают насыпную плотность.

Насыпная плотность - величина, определяемая отношени­ем массы материала m (кг) к занимаемому им объему в рыхлом состоянии V_H (м³):

Величина V_H включает в себя объем всех частиц сыпучего материала и объем пространств между частицами, называемых пустотами. Если для зернистого материала известны насыпная плотность и средняя плотность зерен , то можно рассчитать его пустотность α - относительную характеристику, выражае­мую в долях единицы или в процентах:

По физическому смыслу понятия пористость и пустотность аналогичны. При изготовлении бетона стремятся использовать сыпучие заполнители - песок, щебень или гравий с минималь­ной пустотностью. В этом случае для заполнения пустот потре­буется меньше цемента и бетон будет дешевле.

2. Привести примеры численных значений плотности основных видов строительных материалов.

Материал	Плотность, кг/м3		Пористость, %
	средняя	истинная
Гранит	2600...2700	2700...2800	0...2
Тяжелый бетон	2200...2500	2600...2700	2...25
Кирпич	1400...1800	2500...2600	25...35
Древесина	400...800	1500...1550	45...70
Пенопласт	15...100	950... 1200	90...98

3. Гидрофизические свойства строительных материалов (водопоглощение, влажность, Кнас., Кразм., гигроскопичность, влагоотдача, морозостойкость, водопроницаемость) – определение, формулы, единицы измерения, взаимосвязь с другими свойствами, примеры численных значений.

Очень часто в процессе эксплуатации строительные материа­лы и конструкции подвергаются воздействию воды, и свойства материалов изменяются. Количественно оценить свойства мате­риала в этом случае позволяют следующие понятия.

Водопоглощение - это способность пористого материала впитывать и удерживать в порах капельно-жидкую влагу. Разли­чают водопоглощение по массе и водопоглощение по объему.

Водопоглощение по массе Wм, %, равно отношению массы воды m_в.н, полностью насыщающей материал, к массе сухого ма­териала m

Водопоглощение по объему W₀, %, характеризует степень за­полнения объема материала водой. Вычисляют водопоглощение как отношение объема воды V_в.н при полном насыщении мате­риала к его объему V_e

Водопоглощение по объему можно вычислить при известных значениях водопоглощения по массе и средней плотности мате­риала, используя формулу:

Водопоглощение материалов, зависящее от характера порис­тости, может изменяться в широких пределах. Значения W_M со­ставляют для гранита 0,02...0,7 %, тяжелого бетона - 2...4, кир­пича 8...20, легких теплоизоляционных материалов с открытой пористостью - 100 % и более. Водопоглощение по объему W₀ не превышает пористости, так как объем впитанной материалом воды не может быть больше объема пор.

Величины W₀ и W_M характеризуют предельный случай, когда материал более не в состоянии впитывать влагу. В реальных конструкциях материал может содержать некоторое количество влаги, полученной при кратковременном увлажнении капельно­жидкой водой либо в результате конденсации в порах водяных паров из воздуха. В этом случае состояние материала ха­рактеризуют влажностью.

Влажность - отношение массы воды, находящейся в данный момент в материале т_в, к массе (реже - к объему) материала в сухом состоянии т_с

Влажность может изменяться от нуля, когда материал сухой, до величины W_M, соответствующей максимальному водосодер- жанию. Увлажнение приводит к изменению многих свойств ма­териала: повышается масса строительной конструкции, возрас­тает теплопроводность; под влиянием расклинивающего дейст­вия воды уменьшается прочность материала.

Для многих строительных материалов влажность нормирова­на. Так, влажность молотого мела - 2 %, стеновых материалов - 5...7, воздушно-сухой древесины - 12...18 %.

Водостойкость - свойство материала сохранять прочность при насыщении его водой. Критерием водостойкости строитель­ных материалов служит коэффициент размягчения - отношение прочности при сжатии материала, насыщенного водой, R_B к прочности при сжатии сухого материала R_c

Материалы, у которых коэффициент размягчения больше 0,75, называют водостойкими.

Водонепроницаемость - свойство материала сопротивляться проникновению в него воды под давлением. Это свойство осо­бенно важно для бетона, воспринимающего напор воды (трубы, резервуары, плотины). Водонепроницаемость бетона оценивают маркой по W (W-2...W-8), обозначающей максимальное односто­роннее гидростатическое давление, при котором стандартный образец не пропускает воду. Для гидроизоляционных материа­лов водонепроницаемость характеризуется временем, по истече­нии которого появляется просачивание воды под определенным давлением через образец материала (мастика, гидроизол).

Гигроскопичность - свойство капиллярно-пористого мате­риала поглощать влагу из воздуха. С увеличением относитель­ной влажности воздуха и снижением температуры гигроскопич­ность повышается.

Гигроскопичность отрицательно сказывается на свойствах строительных материалов. Так, цемент при хранении под влия­нием влаги воздуха гидратируется и комкуется, при этом снижа­ется его марка. Весьма гигроскопична древесина, от влаги она разбухает, коробится и трескается.

За характеристику гигроскопичности принята величина от­ношения массы поглощенной влаги при относительной влажно­сти воздуха 100 % и температуре +20 °С к массе сухого мате­риала.

Морозостойкость - свойство материала в насыщенном во­дой состоянии выдерживать многократное число циклов попе­ременного замораживания и оттаивания без видимых признаков разрушения и значительного снижения прочности и массы. Мо­розостойкость - одно из основных свойств, характеризующих долговечность строительных материалов в конструкциях и со­оружениях. Как известно, вода, находящаяся в порах материала, при переходе в лед увеличивается в объеме примерно на 9... 10 % и вызывает растягивающие напряжения. Ритмично чередующая­ся кристаллизация льда в порах с последующим оттаиванием приводит к дополнительным внутренним напряжениям. Могут возникнуть микро- и макротрещины с возможным разрушением структуры и снижением прочности.

Для испытания на морозостойкость стандартные образцы ма­териалов или целые мелкоштучные изделия (например, кирпич) вначале насыщают водой, а затем замораживают при температу­ре минус 15...20 °С. Затем образцы извлекают из морозильной камеры и оттаивают в воде комнатной температуры. Такое замо­раживание и оттаивание составляет один цикл. Марка по моро­зостойкости (F10, F15, F25, F35, F50, F75, F100, F150, F200, F300 для каменных материалов) характеризуется числом циклов за­мораживания и оттаивания, которое выдержал материал, при допустимом снижении прочности или уменьшении массы об­разцов.

Высокой морозостойкостью обладают плотные материалы, которые имеют малую пористость и закрытые поры. Материалы пористые с открытыми порами и соответственно большим водо- поглощением часто оказываются неморозостойкими.

4. Теплофизические свойства строительных материалов (теплопроводность, термическое сопротивление, теплоемкость, термическая стойкость, огнестойкость, огнеупорность) – определение, формулы, единицы измерения, взаимосвязь с другими свойствами, примеры численных значений.

Теплопроводность - свойство материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на противоположных поверхностях. Это свойство имеет важное значение для строительных материалов, приме­няемых при устройстве ограждающих конструкций (стен, по­крытий и перекрытий), и материалов, предназначенных для теп­ловой изоляции. Теплопроводность материала зависит от его строения, химического состава, пористости и характера пор, а также влажности и температуры, при которой происходит пе­редача теплоты.

Теплопроводность характеризуют коэффициентом тепло­проводности, указывающим, какое количество теплоты в Дж способен пропустить материал через 1 м² поверхности при тол­щине материала 1 м и разности температур на противоположных поверхностях 1 °С в течение 1 ч. Коэффициент теплопроводно­сти, Вт/(м °С), равен: для воздуха - 0,023; для воды - 0,59; для льда - 2,3; для керамического кирпича - 0,82. Воздушные поры в материале резко снижают его теплопроводность, а увлажнение водой сильно повышает ее, так как коэффициент теплопровод­ности воды в 25 раз выше, чем у воздуха.

С ростом температуры теплопроводность большинства строительных материалов увеличивается, что объясняется по­вышением кинетической энергии молекул, слагающих вещество материала, и определяется по формуле

где , и - теплопроводность соответственно при температурах t и 0 °С; β - температурный коэффициент, показывающий вели­чину приращения коэффициента теплопроводности материала при повышении температуры на 1 °С; t - температура материала, °С.

Термическое сопротивление [R, (м² • К)/Вт] характеризуется способностью материалов или конструкции (например, наруж­ной стеновой панели) препятствовать распространению тепло­вого потока или теплового движения молекул и равно отноше­нию толщины слоя ограждения (α) к теплопроводности мате­риала (λ):

R=α/λ

Термическое сопротивление - величина нормируемая. Сле­дует признать, что, несмотря на значительное увеличение рас­четных сопротивлений теплопередаче за последние несколько лет, мы еще не сравнялись с аналогичными нормативами ряда Европейских стран. В настоящее время в Республике Беларусь термическое сопротивление для наружных стен (разных кон­струкций) принято 2,5...3,0 (м²-К)/Вт, а в ряде зарубежных стран: Германия — 2,45; Россия — 3,15; Финляндия — 3,87; Поль­ша - 4,03; Литва - 4,2; Дания - 4,3; Эстония - 5,25 (м²-К)/Вт,

Теплоемкость - свойство материала поглощать при нагрева­нии и отдавать при охлаждении определенное количество тепло­ты. Теплоемкость - мера энергии, необходимой для повышения температуры материала.

Теплоемкость, отнесенную к единице массы, называют удельной теплоемкостью С и измеряют в Дж/(кг • °С). Удельная теплоемкость - это количество теплоты, необходимой для на­гревания 1 кг материала на 1 °С. У органических материалов теплоемкость обычно выше, чем у неорганических, Дж/(кг -°С): древесины -2,38...2,72; стали-0,46; воды-4,187. Наибольшую теплоемкость имеет вода, поэтому с повышением влажности ма­териалов их теплоемкость возрастает. Численные характеристи­ки теплоемкости используют при расчете теплоустойчивости ограждающих конструкций. Кроме того, значения С надо знать для расчета затрат на топливо и энергию на обогрев материалов и конструкций при зимних работах.

Тепловое расширение - свойство материала изменять раз­меры при нагреве и охлаждении. Для численной характеристики такого явления используют температурный коэффициент ли­нейного расширения (TKЛP), который показывает, на какую до­лю первоначальной длины расширяется материал при повыше­нии температуры на 1 °С.

Значения TKЛP составляют, °С^-1: для бетона (10...12) , стали 10 , древесины вдоль волокон - (3...5) . ТКЛР полимерных строительных материалов в 10...20 раз больше.

Вследствие термических и усадочных деформаций в соору­жениях большой протяженности могут образоваться недопусти­мые по условиям эксплуатации перекосы, трещины или разры­вы. Чтобы этого не произошло, устраивают температурно- усадочные (деформационные) швы, которые как бы разрезают сооружение. Расстояние между швами назначают с учетом тер­мического расширения материалов.

Огнестойкость - свойство материала выдерживать без раз­рушения воздействие высоких температур, пламени и воды в условиях пожара. Материал в таких условиях либо сгорает, либо растрескивается, сильно деформируется, разрушается от потери прочности. По огнестойкости различают материалы несгорае­мые, трудносгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы в условиях высоких температур не подвержены воспламенению, тлению или обугливанию. Это кирпич, бетон и др. Однако некоторые несгораемые материалы мрамор, стекло, асбестоцемент - при резком нагревании разру­шаются, а стальные конструкции сильно деформируются и те­ряют прочность.

Трудносгораемые материалы под воздействием огня или вы­сокой температуры медленно воспламеняются, но после удале­ния источника огня их тление или горение прекращается. К та­ким материалам относятся фибролит, асфальтобетон, пропитан­ная антипиренами древесина.

Сгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры горят и продолжают гореть после удаления источ­ника огня. Это - древесина, обои, битуминозные кровельные и полимерные материалы и др.

Предел огнестойкости - это промежуток времени (минуты или часы) от начала возгорания до возникновения в конструкции предельного состояния. Предельным состоянием считают поте­рю несущей способности, т. е. обрушение конструкции; возник­новение в ней сквозных трещин, через которые на противопо­ложную поверхность могут проникать продукты горения и пла­мя; недопустимый нагрев поверхности, противоположной действию огня, который может вызвать самопроизвольное воз­горание других частей сооружения.

Огнеупорность - свойство материала выдерживать длитель­ное воздействие высокой температуры (от 1580 °С и выше), не деформируясь и не размягчаясь. Огнеупорные материалы (ди­нас, шамот, хромомагнезит, корунд), применяемые для внутрен­ней футеровки промышленных печей, не деформируются и не размягчаются при температуре 1580 °С и выше. Тугоплавкие материалы (тугоплавкий печной кирпич) выдерживают без оп­лавления и деформации температуру 1350... 1580 °С, легкоплав­кие (кирпич керамический строительный) - до 1350 °С.

5. Механические свойства строительных материалов (прочность, упругость, пластичность, Ккк, твердость, истираемость, хрупкость) – определение, формулы, единицы измерения, взаимосвязь с другими свойствами, примеры численных значений.

Механические свойства материалов определяют поведение конструкций под действием внешних нагрузок. Последние вы­зывают разрушение либо деформацию материалов. Сопротивле­ние материалов механическому разрушению характеризуется их прочностными свойствами: прочностью, твердостью, истирае­мостью, сопротивлением удару, износом. Способность материа­лов изменять под нагрузкой форму и размеры характеризуется деформационными свойствами: упругостью, пластичностью, хрупкостью и ползучестью.

Прочность - способность материала сопротивляться разру­шению, а также необратимому изменению формы (пластической деформации) при действии внешних нагрузок. Мерой прочности материала является предел прочности - наибольшее напряже­ние, соответствующее нарастающей нагрузке, при которой обра­зец материала разрушается.

Кроме указанной, типичными характеристиками служат пре­делы упругости и пластичности, соответствующие напряжениям на диаграмме деформирования соответственно для точек А и Б. Все эти характеристики прочности относятся к кратковременно­му действию приложенной нагрузки. При длительном действии нагрузки возрастает опасность нарушения структуры материала.

На практике разрушение материала начинается значительно раньше того момента, когда напряжения в нем достигнут теоре­тического предельного значения. Это объясняется тем, что в ре­альных материалах много дефектов самого различного уровня (начиная от молекулярного и кончая макродефектами, например трещинами).

В зависимости от характера приложения нагрузки F и вида возникающих напряжений различают прочность на сжатие, рас­тяжение, изгиб, скалывание (срез). Физическая величи­на, которая характеризует интенсивность внутренних сил, при­ходящихся на единицу площади сечения, называется механиче­ским напряжением.

Упругость - свойство материала восстанавливать свои фор­му и объем после прекращения действия внешних сил. Упругую деформацию называют обратимой. Наибольшее напряжение, при котором действует лишь упругая деформация, называют пределом упругости. В области упругих деформаций действите­лен закон Гука - деформация материала пропорциональна дей­ствующему напряжению.

Пластичность - свойство материала необратимо деформи­роваться под действием внешних сил. Пластическая (остаточ­ная) деформация, не исчезающая после снятия нагрузки, называ­ется необратимой.

Твердость - свойство материала сопротивляться проникно­вению в него более твердого тела. Твердость ряда строительных материалов (бетона, древесины, металлов, строительного рас­твора) определяют специальным прибором, вдавливая в них за­каленный стальной шарик, алмазный конус или пирамиду. В ре­зультате испытания вычисляют число твердости. Оно равно от­ношению силы вдавливания к площади поверхности отпечатка. Твердость минералов и однородных горных пород оценивают по шкале Мооса, содержащей десять минералов, расположенных по возрастающей твердости, начиная от талька (твердость 1) и кон­чая алмазом (твердость 10). Твердость исследуемого материала определяют, последовательно царапая его входящими в шкалу твердости минералами.

Истираемость - свойство материала уменьшаться в объеме и массе под действием истирающих усилий.

Сопротивление материала истиранию определяют на круге истирания с подсыпанием абразивных порошков - наждака или кварцевого песка. Истираемость зависит от прочности и твердо­сти материала и важна для оценки эксплуатационных свойств материалов полов, ступеней лестниц, дорожных покрытий.

Хрупкость - свойство материала разрушаться после незна­чительной пластической деформации. Хрупкому материалу в отличие от пластичного нельзя придать при прессовании желае­мую форму, так как такой материал под нагрузкой дробится на части, рассыпается. Хрупкими являются природные и искусст­венные камни, стекло, чугун и др. Приближенным значением меры хрупкости служит ψ= ε_у/ε_прел, и при ψ = 1..0,8 разру­шение от нагружения происходит без торможения трещин, внезапно.

Провести четкую границу между пластичными и хрупкими телами невозможно. Даже в одном и том же теле можно наблю­дать либо пластичность, либо хрупкость. На характер деформа­ции влияют различные факторы, такие как температура, тип на­пряженного состояния, скорость деформации, окружающая сре­да и др. Повышение температуры, как правило, способствует пластичности, при понижении температуры возрастает хруп­кость. Влияние напряженного состояния на характер деформи­рования показывают опыты с хрупкими материалами. Например, мрамор при линейном напряженном состоянии - хрупкое тело, но при деформации в условиях объемно-напряженного состоя­ния он приобретает пластичность.