1.Под структурой строительных материалов понимают пространственное расположение частиц разной степени измельченности с совокупностью устойчивых взаимных связей и порядком сцепления их между собой.

Строение материала изучают на трех уровнях: 1) макроструктура материала - строение, видимое невооруженным глазом; 2) микроструктура материала - строение видимое в оптический микроскоп; 3) внутреннее строение веществ, составляющих материал, на молекулярно-ионном уровне, изучаемом методами рент-гено-структурного анализа, электронной микроскопии и т.п.

Макроструктура твердых строительных материалов может быть следующих типов: конгломератная(бетоны, керамические изделия), ячеистая(газо- и пенобетоны, ячеистые пластмассы), мелкопористая, волокнистая(древесина, стеклопластик), слоистая(рулонные, листовые, плитные материалы), рыхлозернистая (порошкообразная).

Микроструктура веществ, составляющих материал, может быть кристаллическая и аморфная. Кристаллическая форма всегда более устойчива. Аморфная форма вещества может перейти в более устойчивую кристаллическую форму.

Внутреннее строение веществ, составляющих материал, определяет механическую прочность, твердость, тугоплавкость и другие важные свойства материала.

Строительный материал характеризуется химическим, минеральным и фазовым составом.

Химический состав строительных материалов позволяет судить о ряде свойств материала: огнестойкости, биостойкости, механических и других технических характеристиках.

Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком количестве содержатся в вяжущем веществе или в каменном материале.

Фазовый состав материала и фазовые переходы воды, находящиеся в его порах, оказывают влияние на все свойства и поведение материала при эксплуатации.

2. группы свойств строительных материалов

1)Структурные: - структурно-вещественные(химич. состав, минералог. состав, групповой).

-структурно-пространственные( плотность, пористость, молекулярная масса).

2)Функциональные: - деформативно-механические свойства(деформативность, пластичность).

- физические свойства(теплоемкость, теплопроводность).

- химические свойства(химич. процессы твердения, полимеризация).

Свойства строительных материалов в значительной мере зависят от их структуры. В зависимости от строения материалы могут быть плотными (гранит, сталь), пористыми (пеностекло, ноздреватые бетоны), мягкозернистыми (песок, щебень), слоистыми (фанера, слоистые пластики) и волокнистыми (шлаковата, древесина). Строение материала существенно влияет на его свойства. Например, чем большая пористость, тем более легкий материал, меньший коэффициент теплопроводности. За структурным состоянием материалы разделяют на изотропные, что во всех направлениях имеют одинаковые свойства, поскольку частицы, из которых состоит материал, равномерно распределены в массе, и анизотропные, что имеют слоистое или волнистое строение с определенной направленностью, в связи с чем их свойства в разных направлениях разные.

Строительные материалы минерального происхождения могут находиться в кристаллическом и аморфном состояниях. Большинство естественных и искусственных каменных материалов- это кристаллические тела, для которых характерное правильное размещение ионов в виде пространственной решетки в отличие от аморфных, где атомы размещены хаотически. Это состояние также влияет на свойстве материалов.

3. -Истинная плотность р (г/см3, кг/м3) - масса единицы объема абсолютно плотного материала. Если масса материала m, а его объем в плотном состоянии Va , то

p=m/Va.

Относительная плотность d выражает плотность материала по отношению к плотности воды. Объем пористого материала слагается из объема твердого вещества Va и объема пор Vп.

Средняя плотность (г/см3, кг/м3) есть масса единицы объема материала в естественном состоянии (объем определяется вместе с порами):

pm= m/Ve.

Насыпная плотность pн - масса единицы объема рыхло насыпанных зернистых или волокнистых материалов (цемента, песка, гравия, щебня, гранулированной минеральной ваты и т.п.).

-Пористость П есть степень заполнения объема материала порами:

П= Vп/V.

Пористость выражают в долях от объема материала, принимаемого за 1, или в % от объема.

Экспериментальный (прямой) метод определения пористости основан на замещении порового пространства в материале сжиженным гелием или другой средой.

Экспериментально-расчетный метод определения пористости использует найденные опытным путем значения плотности (%) высушенного материала

Пористость строительных материалов колеблется в широких пределах: от 0 до 98% (табл. 1.1).

-Пустотность

Пустотностью (Vпуст) называется объем пустот между зернами рыхло

насыпного материала, выраженный в долях единицы или в процентах от об-

щего его объема и расчитанный по формуле:

Vпуст.= ( 1 – pн/ pm )•100 %,

где pн – насыпная плотность сыпучего материала, кг/м3; pm – средняя плотность

материала, кг/м3.

Строение материала существенно влияет на его свойстве. Например, чем большая пористость, тем более легкий материал, меньший коэффициент теплопроводности.

4. -Влажность W — содержание воды в материале в данный момент.

Вычисляется в % по формуле:

W=mвл-mc/mc * 100%

где mвл, mc, — масса влажного и сухого материалов, г.

-Гигроскопичность — способность материала поглощать воду из окружающего воздуха. Она выражается в процентах как отношение массы поглощенной материалом воды из воздуха к массе сухого материала при относительной влажности воздуха 100% и температуре 20 °С.

Гигроскопичность зависит от природы материалов. Одни из них, например древесина, активно притягивают молекулы воды. Их называют гидрофильными. Другие же, например битум, не смачиваются водой. Их называют гидрофобными. Придание материалу гидрофобных свойств улучшает его свойства.

-Водопоглощение — способность материала впитывать и удерживать в своих порах воду. Оно подразделяется на Водопоглощение по массе и объему.

Водопоглощение по массе Wм, %

Wм=mв-mc/mc * 100%

Водопоглощение по объему W0, %

Wo=mв-mc/V * 100%

где mв — масса образца, насыщенного водой, г; mс — масса образца, высушенного до постоянной массы, г; V — объем образца, см3.

Между водопоглощением по массе и объему существует следующая зависимость: Wo=Wм*pc

где pс — средняя плотность материала, кг/м3

Водопоглощение всегда меньше пористости, так как поры не полностью заполняются водой.

Материалы во влажном состоянии изменяют свои свойства. Увеличивается средняя плотность, уменьшается прочность, повышается теплопроводность.

-Водопроницаемость — способность материала пропускать воду под давлением. Она характеризуется коэффициентом фильтрации Кф, м/ч, который равен количеству воды Vв в м3, проходящей через материал площадью S = 1 м2, толщиной а = 1 м за время t = 1 ч, при разности гидростатического давления P1 - Р2 = 1 м водного столба:

Кф=Vв*a/[S(P1-P2)*t]

Водопроницаемость материала зависит от его пористости и характера пор.

-Водостойкость — способность материала сохранять свою прочность при насыщении водой: Она оценивается коэффициентом размягчения Кразм, который равен отношению предела прочности материала при сжатии в насыщенном водой состоянии RВ МПа, к пределу прочности сухого материала Rсух, МПа:

Кразм=RВ/Rсух

Для разных материалов Кразм = 0...1. Так, глина при увлажнении не имеет прочности, ее Кразм = 0. Металлы, стекло полностью сохраняют прочность в воде, для них Кразм = 1 . Строительные материалы с коэффициентом размягчения меньше 0,8 не применяют во влажной среде.

5. Морозостойкость - свойство насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание. Разрушение происходит из-за того, что объем воды при переходе в лед увеличивается на 9%. Давление льда на стенки пор вызывает растягивающие усилия в материале.

Морозостойкость материала количественно оценивается циклами и соответственно маркой по морозостойкости. За марку материала по морозостойкости принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы материала без снижения прочности на сжатие более 15%; после испытания образцы не должны иметь видимых повреждений - трещин, выкрашивания (потери массы - не более 5%). От морозостойкости зависит долговечность строительных материалов в конструкциях, подвергающихся действию атмосферных факторов и воды.

Марка по морозостойкости устанавливается проектом с учетом вида конструкции, условий ее эксплуатации и климата. Климатические условия характеризуются среднемесячной температурой наиболее холодного месяца и числом циклов попеременного замораживания и оттаивания по данным многолетних метеорологических наблюдений.

Морозостойкость материалов зависит от их плотности и степени заполнения пор водой.

6. -Теплопроводность — способность материалов проводить тепло. Теплопередача происходит в результате перепада температур между поверхностями, ограничивающими материал. Теплопроводность зависит от коэффициента теплопроводности L(лямбда), Вт/(м*°С), который равен количеству тепла Q, Дж, проходящего через материал толщиной d = 1 м, площадью S = 1 м2 за время t = 1 ч, при разности температур между поверхностями t2- t1 = 1 °С:

L=Q*d/S*t*(t2-t1)

Теплопроводность материалов зависит от их средней плотности, химического состава, структуры, характера пор, влажности.

-Теплоемкость - способность материалов поглощать тепло при нагревании. Она характеризуется удельной теплоемкостью с, Дж/(кг*°С), которая равна количеству тепла Q, Дж, затраченному на нагревание материала массой m = 1 кг, чтобы повысить его температуру на t2-t1 = 1°С:

с=Q/[m(t2-t1)]

Теплоемкость учитывается при расчете теплоустойчивости стен и перекрытий отапливаемых зданий, подогрева материалов в зимний период.

-Огнестойкость - способность материалов не разрушаться от действия высоких температур и воды в условиях пожара.

По огнестойкости материалы подразделяют на несгораемые(каменные материалы, металлы.), трудносгораемые(древесина, пропитанная антипиренами.) и сгораемые(все незащищенные органические материалы.).

-Огнеупорность — способность материалов выдерживать длительное воздействие высоких температур, не размягчаясь и не деформируясь. По степени огнеупорности материалы подразделяют на следующие группы: огнеупорные, тугоплавкие и легкоплавкие.

7. -Упругость — это способность материала после деформирования под воздействием каких-либо нагрузок принимать после снятия их первоначальную форму и размеры. Наибольшее напряжение, при котором материал еще обладает упругостью, называется пределом упругости. К упругим материалам относят резину, сталь, древесину.

-Пластичность — свойство материала изменять под нагрузкой форму и размеры без образования разрывов и трещин и сохранять изменившиеся форму и размеры после удаления нагрузки. К пластичным материалам относят битум, глиняное тесто и др.

-Хрупкость — свойство материала мгновенно разрушаться под действием внешних сил без заметной пластичной деформации. Хрупкие материалы: кирпич, природные камни, бетон, стекло и т. д.

Внешние силы, приложенные к телу, вызывают изменение межатомных расстояний, отчего происходит деформация тела. Относительная деформация(e – эпсила).

e= (дэльта)L/L

-Модуль упругости Е (модуль Юнга) связывает упругую деформацию и одноосное напряжение линейным соотношением, выражающим закон Гука.

e=напряжение/Е, напряжение=сила/первоначальная площадь

Модуль упругости представляет собой меру жесткости материала. Материалы с высокой энергией межатомных связей (они плавятся при высокой температуре) характеризуются и большим модулем упругости.

8. -Прочность — способность материалов сопротивляться разрушению и деформациям от внутренних напряжений, возникающих в результате воздействия внешних сил или других факторов, таких как неравномерная осадка, нагревание и т. п. Оценивается она пределам прочности. Так называют напряжение, возникающее в материале от действия нагрузок, вызывающих его разрушение.Различают пределы прочности материалов при сжатии, растяжении, изгибе, срезе и пр.[МПа]

Предел прочности при сжатии Rсж

Rсж=P/F

P-давление разрушающей силы, F-первонач. площадь попер. сеч.

Предел прочности при изгибе Rи

Rи=M/W

M-изгибающий момент, W-момент сопротивления образца.

Каменные материалы хорошо работают на сжатие и значительно хуже на растяжение и изгиб. Другие материалы — металл, древесина, многие пластмассы — хорошо работают как на сжатие, так и на растяжение и изгиб.

-Ударная вязкость – свойство материала сопротивляться разрушению при ударных нагрузках. Определяется отношением работы, затраченной на разрушение образца, к единице объема или площади поперечного сечения.

-Твердость - способность материала оказывать сопротивление проникновению в него более твердого материала.

При испытании природных каменных материалов пользуются шкалой Мооса, составленной из 10 минералов, расположенных в ряд, с условным показателем твердости от 1 до 10, когда более твердый материал, имеющий более высокий порядковый номер, царапает предыдущий.

Твердость металлов, бетона, древесины, пластмасс оценивают вдавливанием в них стального шарика, алмазного конуса или пирамиды.

-Истираемость — способность материалов разрушаться под действием истирающих усилий. [г/см2 ]

И = (m1 – m2) / F.

(m1 – m2)- потеря массы, F – площадь истирания.

Определяется И путем испытания образцов на круге истирания или в полочном барабане. Эта характеристика учитывается при назначении материалов для пола, лестничных ступеней и площадок, дорог.

-Износ — свойство материала сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов. Испытывают во вращающемся барабане со стальными шарами или без них. Показатель – потеря массы.

9. - Минералы - это природные физически и химически однородные тела, возникающие в земной коре в результате физико-химических процессов.

- Горная порода - это природный минеральный агрегат более или менее определенного состава и строения, являющийся продуктом геологических процессов и образующий в земной коре самостоятельные тела.

- Природные каменные материалы и изделия получают из горных пород путем механической обработки (дробления, распиливания, раскалывания и т.п.), после которой почти полностью сохраняется структура и свойства исходной породы.

Основными породообразующими минералами являются: кварц, полевые шпаты, железисто-магнезиальные силикаты,слюды,карбонаты и сульфаты.

-Кварц, состоящий из двуоксида кремния (Si02) в кристаллической форме обладает: исключительно высокой прочностью при сжатии, высокой твердостью, кислотостойкостью, химической стойкостью, огнеупорностью. Цвет кварца чаще всего встречается молочно-белый, серый.

-Полевые шпаты. Они представляют собой, так же как и кварц, светлые составные части пород (белые, розоватые, красные и т.п.).Главными разновидностями полевых шпатов являются ортоклаз и плагиоклазы.

По сравнению с кварцем полевые шпаты обладают значительно меньшей прочностью и стойкостью, поэтому они реже встречаются в осадочных породах.

-В группе железисто-магнезиальных силикатов наиболее распространены оливин, пироксены, амфиболы.

Они отличаются от кварца и полевых шпатов темной окраской (зеленого, темно-зеленого, иногда черного цвета). Характерными свойствами цветных минералов являются высокая прочность и вязкость, а также повышенная плотность по сравнению с другими минералами, которые входят в состав магматических пород.

-Слюды — водные алюмосиликаты сложного и разнообразного состава. Слюды легко расщепляются на тонкие, упругие пластинки, что характеризует их совершенную спайность.

10. В зависимости от условий формирования горные породы делят на три генетические группы: магматические породы, образовавшиеся в процессе кристаллизации сложного природного силикатного расплава - магмы; осадочные, возникшие в поверхностных условиях из продуктов разрушения любых других пород; метаморфические, являющиеся продуктом перекристаллизации и приспособления пород к изменившимся в пределах земной коры физико-химическим условиям.

Генетическая классификация горных пород

1)Магматические породы

-Массивные:

=Глубинные(Граниты, сиениты, диориты, габбро)

=Излившиеся(Порфиры, диабазы, трахиты, базальты, порфириты, андезиты)

-Обломочные:

=Рыхлые(Вулканические пеплы, пемзы)

=Цементированные(Вулканические туфы)

2)Осадочные породы

-Механические отложения:

=Рыхлые(Глины, пески, гравий)

=Цементированные(Песчаники, конгломераты, брекчии)

-Химические осадки(Гипс, ангидрит, магнезит, доломиты, известковые туфы, некоторые виды известняков)

-Органогенные отложения(Известняки, мел, ракушечник, диатомиты и трепелы)

3)Метаморфические (видоизмененные) породы

-Продукты видоизменения изверженных пород(Гнейсы)

-Продукты видоизменения осадочных пород(Мраморы, кварциты)

11. Магматические горные породы — это породы, образовавшиеся непосредственно из магмы, в результате её охлаждения и застывания.

Минеральный состав магматических горных пород разнообразен: полевые шпаты, кварц, амфиболы, пироксены, слюды, в меньшей степени — оливин, нефелин, лейцит, магнетит, апатит и другие минералы.

В зависимости от условий образования выделяют две основные группы магматических пород – глубинные(образовались при застывании магмы на разной глубине в земной коре. ) и излившиеся(образовались при вулканической деятельности, излиянии магмы из глубин и затвердении на поверхности).

Основные виды глубинных пород: граниты, сиениты, гранодиориты, диориты и кварцевые диориты, габброиды, перидотиты.

-Граниты отличаются высоким содержанием кварца, натриево-калиевых шпатов и плагиоклаза небольшим количеством слюды и отсутствием сульфидов. Граниты имеют высокую механическую прочность при сжатии, низкую прочность при растяжении, малую пористость, высокую морозостойкость, а также обладают высоким сопротивлением истиранию.

Граниты широко используются в строительстве, являются прекрасным облицовочным декоративным, а также защитным материалом.

-Сиениты - состоят в из калиевых и натриевых полевых шпатов, цветных минералов. По физико-механическим свойствам сиениты близки к гранитам, несколько уступая им в прочности из-за отсутствия кварца.

-Гранодиориты отличаются от гранитов меньшим содержанием кварца, повышенным количеством цветных минералов.. Гранодиориты по механической прочности уступают гранитам. Подобно гранитам, они находят в строительстве самое разнообразное применение.

Основные виды излившихся пород: кварцевые и бескварцевые порфиры, трахиты, андезиты, базальты, диабазы, пемза, вулканический пепел, вулканические туфы, туфолава.

-Кварцевые порфиры по своему минеральному составу близки к гранитам. Прочность, пористость, водопоглощение у порфиров в общем сходны с показателями этих свойств, присущими гранитам. Но порфиры более хрупки и менее стойки вследствие наличия крупных вкраплений.

-Бескварцевые порфиры по своему составу близки к сиенитам, но в связи с иным генезисом обладают худшими физико-механическими свойствами.

-Трахиты. По своему минеральному и химическому составу трахиты схожи с сиенитами, но более пористы. Поэтому предел прочности при сжатии трахитов невысок, а морозостойкость ниже, чем у сиенитов. Трахиты используют как кислотоупорный материал и отчасти в качестве строительного камня.