JI. Н. Попов

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ДЕТАЛИ

ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ

Допущено Министерством строительства предприятий тяжелой индустрии СССР в качестве учебника для строительных техникумов по специальностям 1202 Промышленное и гражданское строительство», 1223 «Строительство водопроводных и канализационных сетей и сооружений», 1225 Сельскохозяйственное и гражданское строительство»

МОСКВА СТРОИИЗДАТ 1986

ГБК 38.3 П 58

УДК 691(075,32)

Рецензент — каид. техн. наук Б. А. Усов Попов J1. Н.

П 58 Строительные материалы и детали: Учебник для техникумов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Стройиздат, 1986. — 336 с., ил.

Изложены основные сведения о получении, свойствах и применении строительных материалов, изделий и деталей, их транспортировав НИИ и хранении. Большое внимание уделено конструкционным, гидроизоляционным, теплоизоляционным и отделочным материалам, изделие ям и деталям для современного индустриального жилищного, промышленного и сельскохозяйственного строительства.

Для учащихся строительных техникумов.

047(0))—86

БЕК 38.3 вез

Леонид Николаевич Попов СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ДЕТАЛИ

Редакция литературы по строительным материалам и конструкциям

Зав. редакцией П. И. Филимонов Редактор Н. Б. Либман Оформление художника А. А. Орехова

Технический редактор О. С. Москвин? Корректор Л. Г. Коршунова

И Б № 3700

Сдано в набор 10.06.85. Подписано в печать 21.01.86. Т—02336 Формат 84ХЮ8/32. Бумага тип. № 1. Гарнитура «литературная». Печать высокая. Уел. печ. л. 17,64. Уел. кр.-отт. 17,64. Уч.-изд. л. 18,76, Тираж 120 000 экз. Изд. № АШ-1153. Заказ 151. Цена 90 коп.

*

Стройиздат, 101442, Москва, каляевская, 23а Владимирская типография Соювполиграфпрома при Государственном комитете GCCP по делам издательств, полиграфии и книжной торговли 600000, г. Владимир, Октябрьйкий пр.,д. 7

© Стройиздат, S973

© Стройиздат, 1986, с изменениями

Введение

Проектом Основных направлений экономического и социального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года в промышленности строительных материалов, конструкций и деталей предусмотрено к концу двенадцатой пятилетки довести производство цемента до 140—142 млн. т, улучшить его качество, развивать производство эффективных строительных материалов, шире использовать материалы попутной добычи, вторичное сырье и отходы других отраслей для производства строительных материалов, последовательно переходить на поставку изделий высокой строительной готовности, расширить ассортимент и объем поставки высококачественной продукции для нужд населения, в том числе местных строительных материалов. Кроме того, необходимо улучшить структуру применяемых строительных материалов, расширить использование эффективных видов металлопроката, пластмасс, смол, полимеров, прогрессивных изделий из древесины, керамических и других неметаллических материалов.

Создание и внедрение в производство новых, более современных конструкционных материалов является одним из основных направлений научно-технического прогресса, как было отмечено на совещании в ЦК КПСС по вопросам ускорения научно-технического прогресса (июнь 1985 г.).

Строительные материалы — это природные и искусственные материалы и изделия, используемые при строительстве и ремонте зданий и сооружений. Различия в назначении и условиях эксплуатации зданий и сооружений определяют разнообразные требования к строительным материалам и их обширную номенклатуру.

Различают строительные материалы общего (цемент, бетон, лесоматериалы) и специального назначения (акустические, теплоизоляционные, огнеупорные материалы).

По степени готовности строительные материалы условно делят на собственно строительные материалы (вяжущие материалы, заполнители) и строительные изделия — готовые детали и элементы, монтируемые в здании на месте строительства (железобетонные панели, санитарно-технические кабины, дверные и оконные блоки и т. п.).

Индустриализация и расширение масштабов современного строительства ведут к повышению доли готовых строительных изделий в общем объеме производства строительных материалов. Увеличение выпуска строительных материалов в виде изделий и деталей, отличающихся высокой степенью заводской готовности, способствует росту производительности труда, снижению стоимости и ускорению темпов капитального строительства.

Номенклатура строительных материалов обширна и разнообразна. Наряду с традиционными материалами — керамическими, природными, каменными, стеклом и др. — в современном строительстве широко используют новые строительные материалы на основе пластмасс.

При строительстве зданий и сооружений необходимо в первую очередь использовать местные строительные материалы (песок, гравий, известь, кирпич и др.), что сокращает транспортные расходы, составляющие значительную часть стоимости материала. Большое значение для удешевления строительных материалов имеет утилизация отходов промышленности.

Стоимость строительных материалов составляет примерно 60 % общей стоимости строительства, что обязывает строителей технически обоснованно и экономно расходовать строительные материалы, бережно относиться к ним при транспортировании и хранении. Кроме того, правильный выбор материалов в значительной мере определяет качество, долговечность и стоимость возводимых зданий и сооружений.

Требования к строительным материалам и изделиям содержатся в государственных стандартах (ГОСТ), технических условиях (ТУ) и других нормативных документах. В стандартах приведены основные сведения о строительном материале, дано его определение, указаны сырье, области применения, классификация, деление на сорта и марки, методы испытания, условия хранения и транспортирования. Стандарт имеет силу закона, соблюдение его обязательно для всех предприятий и организаций страны. ТУ — нормативно-технический документ, регламентирующий качество продукции.

Официальным документом для строителей являются также Строительные нормы и правила (СНиП), где содержатся номенклатура и размеры основных строительных материалов, требования к их качеству, указания по

их выбору и применению в зависимости от условий эксплуатации возводимого здания или сооружения.

Техник-строитель, являясь на стройке руководителем и непосредственным организатором строительного производства, должен быть хорошо знаком с номенклатурой строительных материалов, их свойствами и рациональными областями применения.

Настоящая книга является учебником для учащихся строительных техникумов, обучающихся по специальностям «Промышленное и гражданское строительство», «Строительство водопроводных и канализационных систем и сооружений» и «Сельскохозяйственное и гражданское строительство». Он соответствует программе пред-мета «Строительные материалы и детали», утвержденной Управлением руководящих кадров и учебных заведений Минтяжстроя СССР.

Первое издание учебника опубликовано в 1973 г. Второе издание дополнено описанием новых строительных материалов и изделий.

Глава 1. Основные свойства строительных материалов

§ 1. Физические свойства

Строительные материалы, применяемые при возведении зданий и сооружений, характеризуются разнообразными свойствами, которые определяют качество материалов и области их применения. По ряду признаков основные свойства строительных материалов могут быть разделены на физические, механические и химические.

Физические свойства материала характеризуют его строение или отношение к физическим процессам окружающей среды. К физическим свойствам относят массу, истинную и среднюю плотность, пористость, водопоглощение, водоотдачу, влажность, гигроскопичность, водо-проницаемость, морозостойкость, воздухо-, паро- и газопроницаемость, теплопроводность и теплоемкость, огнестойкость и огнеупорность.

Масса — совокупность материальных частиц (атомов, молекул, ионов), содержащихся в данном теле. Масса обладает определенным объемом, т. е. занимает часть пространства. Она постоянна для данного вещества и не зависит от скорости его движения и положения в пространстве. Тела одинакового объема, состоящие из различных веществ, имеют неодинаковую массу. Для характеристики различий в массе веществ, имеющих одинаковый объем, введено понятие плотности, последняя подразделяется на истинную и среднюю.

Истинная плотность — отношение массы к объему материала в абсолютно плотном состоянии, т. е. без пор и пустот. Чтобы определить истинную плотность р (кг/м3, г/см3), необходимо массу материала (образца) т (кг, г) разделить на абсолютный объем V_a (м3, см3), занимаемый самим материалом (без пор):

Р = m/Vа.

Зачастую истинную плотность материала относят к истинной плотности воды при 4° С, которая равна 1 г/см3, тогда определяемая истинная плотность становится как бы безразмерной величиной.

Однако большинство строительных материалов имеет поры, поэтому у них средняя плотность всегда меньше истинной плотности (табл. 1). Лишь у плотных материалов (стали, стекла, битума и некоторых других) истинная

и средняя плотности практически равны, так как объём внутренних пор у них весьма мал.

Таблица 1: Истинная и средняя плотность некоторых строительных материалов

Материал	Плотность, кг/м2
	истинная	средняя
Сталь	7850-7900	7800-7850
Гранит	2700-2800	2600-2700
Известняк (плотный)	2400-2600	1800-2400
Песок	2500-2600	1450-1700
Цемент	3000-3100	900-1300
Керамический кирпич	2600-2700	1600-1900
Бетон тяжёлый	2600-2900	1800-2500
Сосна	1500-1550	450-600
Поропласты	1000-1200	20-100

Средняя плотность- физическая величина, определяемая отношением массы образца материала ко всему занимаемому им объёму, включая имеющиеся в нём поры и пустоты. Среднюю плотность p_m (ког/м³, г/см³) вычисляют по формуле:

P_m=m/V,

Где m- масса материалов естественном состоянии, кг или г; V- объём материалов естественном состоянии, m³ или см³.

Средняя плотность не является величиной постоянной и изменяется в зависимости от пористости материала. Искусственные материалы можно получать с необходимой средней плотностью, например меняя пористость, получают бетон тяжелый со средней плотностью 1800— 2500 кг/м3 или легкий со средней плотностью 500— 1800 кг/м3.

На величину средней плотности влияет влажность материала: чем выше влажность, тем больше средняя плотность. Среднюю плотность материалов необходимо знать для расчета их пористости, теплопроводности, теплоемкости, прочности конструкций (с учетом собственной массы) и подсчета стоимости перевозок материалов.

Для сыпучих материалов (цемент, песок, щебень, гравий и др.) определяют насыпную плотность. В объем таких материалов включают не только поры в самок мате риале, по и пустоты между зернами или кусками мате­риала.

Пористостью материала называют степень заполне­ния его объема порами. Пористость Я дополняет плот­ность до 1 или до 100 % и определяется по формулам:

П = 1 — p_m/p

или П = (1 —р_m/р) 100%.

Пористость различных строительных материалов ко­леблется в значительных пределах и составляет для кир­пича 25—35 %, тяжелого бетона 5—10, газобетона 55— 85, пенопласта 95 %, пористость стекла и металла равна нулю. Большое влияние на свойства материала оказыва­ет не только величина пористости, но и размер и харак­тер пор: мелкие (до 0,1 мм) или крупные (от 0,1 до 2мм), замкнутые или сообщающиеся. Мелкие замкнутые поры, равномерно распределенные по всему объему материала, придают материалу теплоизоляционные свойства.

Плотность и пористость в значительной степени опре­деляют такие свойства материалов, как водопоглощение, водопроницаемость, морозостойкость, прочность, тепло­проводность и др.

Водопоглощение — способность материала впитывать воду и удерживать ее. Величина водопоглощения опреде­ляется разностью массы образца в насыщенном водой и абсолютно сухом состояниях. Различают объемное водо­поглощение W_v, когда указанная разность отнесена к объему образца, и массовое водопоглощение Wm, когда эта разность отнесена к массе сухого образца.

Водопоглощение по объему и по массе выражают в процентах и вычисляют по формулам:

W_v = [(m₁ — m)/V] 100 % и W_m = [m — m)/m] 100 % ,

где m₁ — масса образца, насыщенного водой, г; m — масса сухого образца, г; V — объем образца в естественном состоянии, см³.

Отношение между массовым и объемным водопоглощением численно равно средней плотности материала, т.е.

W_v /W_m = =m/V=p_v

Из этой формулы можно вывести формулу перехода от одного вида водопоглощения к другому: WV=W_mpm.

Водопоглощение различных материалов колеблется в широких пределах. Например, массовое водопоглощение керамических плиток для полов не выше 4 %, керамического кирпича — 8—20, тяжелого бетона — 2—3, гранита 0,5 -0,8, а пористых теплоизоляционных материалов (торфоплиты) —выше 100 %.

Насыщение материалов водой отрицательно влияет им н ч основные свойства: увеличивает среднюю плотность и теплопроводность, понижает прочность.

Степень снижения прочности материала при предельном его водонасыщении, т. е. состоянии полного насыщения материала водой, называется водостойкостью и характеризуется значением коэффициента размягчения К_разм

К_разм = R_нас /R_сух ,

R_нас - предел прочности при сжатии материала в насыщенном водой состоянии, Мпа; R_сух — то же, сухого материала.

Коэффициент размягчения для разных материалов колеблется от 0 (необожженные глиняные материалы) до 1 (стекло, сталь, битум). Материалы с коэффициент размягчения не менее 0,8 относят к водостойким. Их разрешатся использовать в строительных конструкциях, находящихся в воде и в местах с повышенной влажностью.

Влажность материала определяется содержанием влаги, отнесенным к массе материала в сухом состоянии, Влажность материала зависит как от свойств самого материала (пористости, гигроскопичности), так и от окружающей его среды (влажность воздуха, наличие контакта с водой).

Влагоотдача — свойство материала отдавать влагу окружающему воздуху, характеризуемое количеством воды (в процентах по массе или объему стандартного образца), теряемой материалом в сутки при относительной влажности окружающего воздуха 60 % и температуре 20 ' С.

Величина влагоотдачи имеет большое значение для многих материалов и изделий, например стеновых панелей и блоков, мокрой штукатурки стен, которые в процессе возведения здания обычно имеют повышенную влажность, а в обычных условиях благодаря влагоотдаче высыхают: вода испаряется до тех пор, пока не установится равновесие между влажностью материала стен и влажностью окружающего воздуха, т. е. пока материал не достигнет воздушно-сухого состояния.

Гигроскопичностью называют свойство пористых материалов поглощать определенное количество воды при повышении влажности окружающего воздуха. Древесина и некоторые теплоизоляционные материалы вследствие гигроскопичности могут поглощать большое количество воды, при этом увеличивается их масса, снижается прочность, изменяются размеры. В таких случаях для деревянных и ряда других конструкций приходится применять защитные покрытия.

Водопроницаемость — свойство материала пропускать воду под давлением. Величина водопроницаемости характеризуется количеством воды, прошедшей в течение 1 ч через 1 см² площади испытуемого материала при постоянном давлении. К водонепроницаемым материалам относятся особо плотные материалы (сталь, стекло, битум) и плотные материалы с замкнутыми порами (например, бетон специально подобранного состава).

Морозостойкость — свойство насыщенного водой материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного снижения прочности.

Замерзание воды, заполняющей поры материала, сопровождается увеличением ее объема примерно на 9 %, в результате чего возникает давление на стенки пор, приводящее к разрушению материала. Однако во многих пористых материалах вода не может заполнить более 90 % объема доступных пор, поэтому образующийся при замерзании воды лед имеет свободное пространство для расширения. Разрушение материала наступает только после многократного попеременного замораживания и оттаивания.

Принимая во внимание неоднородность строения материала и неравномерность распределения в нем воды, удовлетворительную морозостойкость можно ожидать у таких пористых материалов, в которых вода заполняет не более 80 % пор, т. е. объемное водопоглощение таких материалов составляет не более 80 % открытой пористости. Плотные материалы, не имеющие пор, или материалы с незначительной открытой пористостью, водопоглощение которых не превышает 0,5%, обладают высокой морозостойкостью. Морозостойкость имеет большое значение для стеновых материалов, систематически подвергающихся и попеременному замораживанию и оттаиванию, а так же для материалов, применяемых в фундаментах и кровельных покрытиях.

Материалы на морозостойкость испытывают в холодильных камерах путем замораживания насыщенных водой образцов при температуре —15—17°С и последующего их оттаивания в воде при температуре около 20 °С. Материал признают морозостойким, если после заданного числа циклов замораживания и оттаивания потеря в массе образцов в результате выкрашивания и расслаивания не превышает 5% и прочность снижается не более чем на 25 %. Если образцы после замораживания не имеют следов разрушения, то степень морозостойкости устанавливают определением коэффициента морозостойкости К_Мрз :

К_Мрз = R_Мрз / R_нас ,

R_Мрз —предел прочности при сжатии материала после испытания па морозостойкость, МПа; R_нас — предел прочности при сжатии насыщенного водой материала, МПа.

Для морозостойких материалов К_мрз должен быть не менее 0,75.

По числу выдерживаемых циклов попеременного замораживания и оттаивания (степени морозостойкости) материалы подразделяют на марки Мрз 10, 15, 25, 35, 50, 100, 150, 200 и более. К строительным материалам в зависимости от вида конструкции и характера работы сооружения предъявляют различные требования по морозостойкости. Так, морозостойкость керамического кирпичи должна быть не менее 15 циклов, а конструктивного бетона в гидротехнических сооружениях — 200 циклов и более.

Паро- и газопроницаемость — свойство материала пропускать через свою толщу под давлением водяной пар или газы (воздух). Все пористые материалы при наличии не замкнутых пор способны пропускать пар или газ.

Паро- и газопроницаемость материала характеризуется соответственно коэффициентом паро- или газопроницаемости, который определяется количеством пара или мча в л, проходящего через слой материала толщиной 1 м и площадью 1 м² в течение 1 ч при разности парциальных давлений на противоположных стенках 133,3 Г1а. 11аропроницаемость следует учитывать при выборе материалов для изоляции холодильников или других сооружений и объектов, работающих при температурах более низких, чем температура окружающего воздуха, так как в этом случае водяные пары проникают из окружающего воздуха в изолируемую конструкцию, конденсируются и превращаются в капли воды, что приводит к увлажнению конструкции и значительному ухудшению ее теплозащитных свойств.

Воздухопроницаемость материалов следует учитывать при применении их в наружных стенах и покрытиях зданий, а газопроницаемость — при применении их в конструкциях специальных сооружений (например, газгольдерах) .

Теплопроводность — свойство материала передавать через толщу теплоту при наличии разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Теплопроводность материала оценивается количеством теплоты, проходящей через стену из испытуемого материала толщиной 1 м, площадью 1 м² за 1 ч при разности температур противоположных поверхностей стены 1 °С. Теплопроводность измеряется в Вт/(м *К) или Вт/(м*°С).

Теплопроводность материала зависит от многих факторов: природы материала, его строения, пористости, влажности, а также от средней температуры, при которой происходит передача теплоты. Материал кристаллического строения обычно более теплопроводен, чем материал аморфного строения. Если материал имеет слоистое или волокнистое строение, то теплопроводность его зависит от направления потока теплоты по отношению к волокнам, например теплопроводность древесины вдоль волокон в 2 раза больше, чем поперек волокон.

На теплопроводность материала в значительной мере влияют величина пористости, размер и характер пор. Мелкопористые материалы менее теплопроводны, чем крупнопористые, даже если их пористость одинакова. Материалы с замкнутыми порами имеют меньшую теплопроводность, чем материалы с сообщающимися порами. Теплопроводность однородного материала зависит от величины его средней плотности. Так, с уменьшением плотности материала теплопроводность уменьшается и наоборот. Теплопроводность в воздушно-сухом состоянии тяжелого бетона 1,3—1,6, керамического кирпича 0,8—0,9, минеральной ваты 0,06—0,09 Вт/(м-°С). Кроме того, на теплопроводность материала значительное влияние оказывает его влажность. Влажные материалы более теплопроводны, чем сухие. Объясняется это тем, что с теплопроводность воды в 25 раз выше теплопроводности воздуха.

При повышении температуры теплопроводность увеличивается, что имеет значение для теплоизоляционных материалов, применяемых для изоляции трубопровода, котельных установок и др.

Знать теплопроводность материала необходимо при пиротехническом расчете толщины стен и перекрытий скапливаемых зданий, а также при определении требуемой толщины тепловой изоляции горячих поверхностей, например трубопроводов, заводских печей и т. д.

Теплоемкость — свойство материала поглощать при нагревании определенное количество теплоты и выделять ее при охлаждении.

Указателем теплоемкости служит удельная теплоемкость, равная количеству теплоты (Дж), необходимому для нагревания 1 кг материала на 1 °С. Удельная теплоемкость, кДж(кг*°С), искусственных каменных материалов 0,75—0,92, древесины — 2,4—2,7, стали — 0,48, во¬ды—4,187.

Теплоемкость материалов учитывают при расчетах теплоустойчивости стен и перекрытий отапливаемых зданий, подогрева составляющих бетона и раствора для зимних работ, а также при расчете печей.

Огнестойкость — способность материала противостоять действию высоких температур и воды в условиях пожара. По степени огнестойкости строительные материалы делят на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы под действием огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются. К этим материалам относят природные каменные материалы, кирпич, бетон, сталь. Трудносгорасмые материалы под действием огня с трудом воспламеняются, тлеют или обугливаются, но после удаления источника огня их горение и тление прекращаются. Примером таких материалов могут служить древесноцементный материал фибролит и асфальтовый бетон. Сгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются и продолжают гореть после удаления источника огня. К этим материалам в первую очередь следует отнести дерево, войлок, толь и рубероид.

Огнеупорностью называют свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры, не расплавляясь и не деформируясь. По степени огнеупорности материалы делят на огнеупорные, тугоплавкие и легкоплавике.

Огнеупорные материалы способны выдерживать продолжительное воздействие температуры свыше 1580 °С. Их применяют для внутренней облицовки промышленных печей (шамотный кирпич). Тугоплавкие материалы выдерживают температуру от 1350 до 1580°С (гжельский кирпич для кладки печей). Легкоплавкие материалы размягчаются при температуре ниже 1350°С (обыкновенный глиняный кирпич).