43

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

Донбасская государственная академия строительства и архитектуры

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине “ Строительное материаловедение “

(для студентов строительных специальностей)

Утверждено на заседании

кафедры строительных

материалов и производства

строительных конструкций

Протокол № ____________

от “____”_____________1997 г.

Макеевка 1997

Конспект лекций по дисциплине “Строительное материаловедение“ (для студентов строительных специальностей) / Сост.: В.И.Братчун, Л.И.Базжин, А.И.Бирюков, Н.С.Борисова, В.Н.Губарь, А.П.Доня, Л.И.Коваленко, Г.Г.Кораблева, А.И.Повзун, Н.Н.Фирсов, С.И.Чурсин. – Макеевка: ДГАСА, 1997. - с.

В конспекте лекций изложены современные представления о строительных и дорожных материалах, применяемых при строительстве зданий и сооружений, в строительстве автомобильных дорог и аэродромных покрытий. Приведены основные технологические принципы производства строительных материалов с заданными свойствами и контроль их качества. Описаны физико-механические свойства и область применения важнейших дорожно-строительных материалов.

Конспект лекций написали: введение, гл.14-16 – В.И.Братчун; гл.1,2,19 – Г.Г.Кораблева; гл. 3 – Л.И.Коваленко; гл. 4,5,11 – Н.С.Борисова; гл.6,8,10 – В.Н.Губарь; гл.7 – А.И.Бирюков; гл. 9,15 – Л.И.Базжин; гл. 12,13 – Н.Н.Фирсов; гл. 17 – А.И.Повзун; гл.18 – А.П.Доня и В.И.Братчун; гл. 20 – С.И,Чурсин.

Компьютерный набор и обработка Губарь В.Н., Кандаева И.В., Полищук А.В.

					ОГЛАВЛЕНИЕ
№			НАИМЕНОВАНИЕ РАЗДЕЛА					Стр.
			ВВЕДЕНИЕ.
1			КЛАССИФИКАЦИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
2			ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
2.1			Общие сведения
2.2			Физические свойства
2.3			Химические свойства
2.4			Механические свойства
2.5			Технологические свойства
2.6			Взаимосвязь состава, структуры и свойств материалов
2.7			Физико-химические принципы получения строительных материалов
2.8			Оценка качество строительных материалов
3.			ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
3.1			Классификация природных каменных строительных материалов
3.2			Главные породообразующие минералы. Структура и текстура горных пород
3.3			Классификация горных пород
3.4			Техническая характеристика основных горных пород как сырья для дорожно-строительных природных каменных материалов
3.5			Добыча и переработка горных пород
3.6			Виды природных каменных материалов и их применение
3.6.1			Грубообработанные каменные материалы
3.6.2			Блоки и камни
3.6.3			Камни и плиты для облицовки
3.6.4			Камни для гидротехнических сооружений
3.6.5			Дорожные каменные материалы
3.6.6			Каменные кислотоупорные изделия
3.7			Способы защиты природных каменных материалов от разрушения
4.				СТРОИТЕЛЬНАЯ КЕРАМИКА
4.1				Общие сведения и классификация
4.2				Сырьевые материалы
4.3				Свойства глин
4.4				Основные технологии производства керамических материалов и изделий
4.5				Стеновые керамические материалы и изделия
4.6				Керамические материалы для наружной и внутренней облицовки зданий
4.7				Керамические изделия специального назначения
4.8				Искусственные заполнители на основе глинистого сырья
5.				МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ МИНЕРАЛЬНЫХ РАСПЛАВОВ
5.1				Общие сведения и классификация
5.2				Структура и свойства стёкл
5.3				Сырьевые материалы для производства стекла
5.4				Технологические процессы изготовления стеклоизделий
5.5				Виды изделий из стекла
5.6				Получение, свойства и виды изделий из ситаллов и шлакоситаллов
5.7				Плавленные каменные материалы и изделия
5.8				Материалы и изделия из шлаковых расплавов
6.				НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА
6.1				Общие сведения и классификация неорганических вяжущих
6.2				Известь строительная воздушная
6.3				Гипсовые вяжущие вещества
6.4				Магнезиальные вяжущие вещества
6.5				Жидкое стекло и кислотоупорный кварцевый цемент
6.6				Гидравлическая известь и романцемент
6.7				Портландцемент
6.8				Специальные виды портландцемента
6.9				Шлаковые и шлакощелочные цементы
6.10				Глиноземистые цементы
6.11				Вяжущие вещества автоклавного твердения
7.			ИСКУССТВЕННЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ
7.1			Асбестоцементные материалы
7.2			Автоклавные силикатные материалы
7.3			Гипсовые материалы и изделия
7.4			Материалы и изделия на основе магнезиальных вяжущих
8.			БЕТОНЫ
8.1			Классификация бетонных смесей и бетонов
8.2			Требования к материалам для бетона
8.3			Технология производства бетонных смесей
8.4			Свойства бетонной смеси и структурообразование бетона
8.5			Физические, прочностные и деформативные свойства бетона
8.6			Коррозия бетона и способы защиты его от действия агрессивных сред
8.7			Проектирование бетона
8.8			Виды тяжелых цементных бетонов
8.9			Легкие бетоны
8.10			Полимербетоны и бетонополимеры
8.11			Укладка бетонной смеси, уход за бетоном и контроль его качества
9.			СТРОИТЕЛЬНЫЕ РАСТВОРЫ
9.1			Определение и классификация строительных растворов
9.2			Материалы для строительных растворов
9.3			Свойства строительных растворов
9.4			Виды строительных растворов
10.			ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ИЗДЕЛИЯ
10.1			Общие сведения
10.2			Современные типы эффективных сборных и монолитных железобетонных изделий и конструкций
10.3			Арматура и арматурные работы
10.4			Технология изготовления сборных железобетонных изделий и конструкций
10.5			Технология изготовления монолитных железобетонных конструкций
10.6			Правила приёмки, перевозки и хранения железобетонных изделий
10.7		Управление качеством сборного и монолитного железобетона
11.		СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ
11.1		Строение дерева
11.2		Основные древесные породы
11.3		Свойства древесины
11.4		Долговечность древесины и способы ее повышения
11.5		Материалы и изделия из древесины
11.6		Основные пути экономии древесины в строительстве. Безотходные технологии
12.		ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
12.1		Общие сведения
12.2		Строение и свойства теплоизоляционных материалов
12.3		Неорганические теплоизоляционные материалы и изделия
12.4		Органические теплоизоляционные материалы и изделия
13.		АКУСТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
13.1		Общие сведения
13.2		Звукопоглощающие материалы и изделия
13.3		Звукоизоляционные материалы
14.		ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ МАТЕРИАЛЫ
14.1		Определение и классификация
14.2		Состав и структура органических вяжущих
14.3		Основные свойства органических вяжущих
14.4		Производство нефтяных битумов
14.5		Технология производства каменноугольных дёгтей
14.6		Совершенствование состава и структуры органических вяжущих
14.7		Дорожные эмульсии
14.8		Перевозка и хранение органических вяжущих и материалов
15.		АСФАЛЬТОБЕТОН И ДРУГИЕ БИТУМО– И ДЁГТЕМИНЕРАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
15.1		Определение и классификация
15.2		Материалы для асфальто- и дёгтебетона
15.3		Распределение органических вяжущих в бетонной смеси
15.4		Структура и свойства асфальто- и дёгтебетона
15.5		Стандартные требования, предъявляемые к асфальто- и дёгтебетонам
15.6		Проектирование состава асфальта- и дёгтебетона
15.7		Технология производства асфальто- и дёгтебетона
15.8		Структурно-механические и технологические свойства теплого асфальтобетона
15.9		Холодный асфальтобетон
15.10		Разновидность битумоминеральных материалов
15.11		Регенерация бетонов на органических вяжущих
16.		УКРЕПЛЕННЫЕ ГРУНТЫ
16.1		Определение и классификация укрепленных грунтов
16.2		Теоретические основы укрепленных грунтов
16.3		Укрепление грунтов неорганическими вяжущими материалами
16.4		Укрепление грунтов органическими вяжущими материалами
16.5		Комплексное укрепление грунтов
16.6		Проектирование составов смесей грунтов, укреплённых вяжущими
17.		КРОВЕЛЬНЫЕ И ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
17.1		Рулонные материалы
17.2		Листовые материалы и штучные изделия
17.3		Пасты и мастики
18.		ЛАКОКРАСОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
18.1		Общие сведения
18.2		Основные компоненты лакокрасочных композиций
18.3		Масляные и эмалевые краски
18.4		Водные краски
18.5		Грунтовки и шпатлёвки
18.6		Обмазки и замазки
19.		ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
19.1		Основные понятия. Сырьё для производства полимерных материалов
19.2		Технология и свойства полимерных материалов
19.3		Материалы и изделия на основе пластических масс, применяемые в строительстве
20.	ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
20.1	Общие сведения
20.2	Отходы тепловой энергетики и топливной промышленности
20.3	Отходы горнодобывающих отраслей промышленности
20.4	Отходы цветной металлургии
20.5	Отходы химической промышленности
20.6	Отходы промышленности строительных материалов
20.7	Отходы лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности

ВВЕДЕНИЕ

Материалом называют вид материи, обладающий определенными вещественным составом, структурой и свойствами, что обеспечивает возможность его эффективного использования для изготовления заданного объекта.

Дорожно-строительными материалами называются разнообразные по составу, структуре, форме, свойствам вещества и вторичные вещества, применяемые непосредственно для строительства зданий и сооружений, либо для изготовления из них сборных элементов на специализированных предприятиях.

Строительные изделия – это законченные элементы, изготовленные из строительных материалов (например, железобетонная панель, изготовленная из цемента, песка, щебня и воды, армированная стальными стержнями, сетками или каркасами; кирпичная панель; оконный блок из древесины или металлических профилей).

Значение курса “Строительное материаловедение“ в подготовке инженеров-строителей любых специальностей очень важно, так как ни одно сооружение нельзя правильно спроектировать, а готовое здание или сооружение – технически грамотно эксплуатировать без всестороннего знания свойств строительных материалов.

Курс строительных материалов служит основой для изучения в дальнейшем ряда специальных инженерных дисциплин: строительные конструкции, технология строительного производства, водоснабжение, канализация, теплоснабжение, вентиляция, архитектурное проектирование, расчет и конструирование автомобильных дорог и др.

Технически и экономически обоснованному использованию строительных материалов в большой степени способствует знание ДСТУ (державні стандарти України), в которых зафиксированы физико-механические свойства материалов, требования к их качеству, внешнему виду и т.п. В каждом стандарте, составленном на основе новейших достижений строительной науки и техники, имеется точное определение материала, его классификация с делением на сорта и марки, технические условия на него, описаны методы испытаний материала, условия его хранения и транспортирования.

Затраты на материалы составляют более половины общей стоимости строительно-монтажных работ и около одной трети капитальных вложений в народное хозяйство Украины.

Отечественные и зарубежные данные свидетельствуют о необходимости опережающего развития промышленности строительных материалов по сравнению с темпами роста строительства. По данным межотраслевого баланса США, за период 1944–1982 гг. коэффициент опережения производства строительных материалов и конструкций составил 1.5 (строительного производства – 1).

Так, для устройства только 1 км. дорожной одежды асфальтобетонным покрытием (при ширине проезжей части 7 м.) необходимо примерно 2200 м³ щебня, 1500 м³ песка, 100 т минерального порошка, 90 т битума.

В процессе работы инженеру приходится систематически решать задачи, связанные со строительными материалами, так как скорость строительства, качество и стоимость работ связаны с их наличием и правильным применением. Необходимо отметить, что большинство случаев (более 70%) преждевременного разрушения сооружений, обусловлено низким качеством и неправильным применением строительных материалов, нарушением технологии их переработки, изготовления из них конструкций и изделий.

При приемке материалов, поступающих на объекты в готовом виде, задача инженера сводится к умению проверить качество, организовать их правильную перевозку, хранение и использование. При добычи, переработке и изготовлении материалов на месте строительства (например, каменных материалов, различных бетонов) инженер организует и руководит работами в карьерах, на бетонных заводах, полигонах и базах. В этом случае необходимо не только глубоко знать свойства исходного сырья, но и умело организовать технологию производства материалов. Наряду с этим инженер обязан организовать систематический текущий контроль производства материалов и изделий, их хранение и использование. На основе глубоких знаний свойств материалов, опираясь на законы физики, химии, механики, он в каждом конкретном случае должен правильно выбрать материал, определить наиболее целесообразные технологические приемы, обеспечивающие создание прочного, долговечного и экономичного сооружения. Это достаточно сложные инженерные задачи, требующие творческого подхода к ним.

I. КЛАССИФИКАЦИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Промышленностью строительных материалов производится около 1000 различных видов материалов и изделий. Чтобы легче ориентироваться в этом многообразии материалов, их классифицируют по различным признакам. Наибольшее распространение получила классификация по назначению. По этому признаку материалы делят на две группы. Первую группу составляют конструктивные материалы:

– природные каменные материалы;

– неорганические и органические вяжущие вещества;

– искусственные каменные материалы, которые разделяются на:

а) получаемые на основе вяжущих веществ

- бетон,

- железобетон,

- строительные растворы и др.);

б) получаемые термической обработкой минерального сырья (керамика, стекло, ситаллы);

- металлы;

- пластмассы;

- лесные материалы.

Вторая группа объединяет строительные материалы специального назначения:

– теплоизоляционные;

– акустические;

– кровельные и гидроизоляционные;

– лакокрасочные.

2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1. Общие сведения

Каждый материал обладает комплексом разнообразных свойств, определяющих область его рационального применения и возможность сочетания с другими материалами.

Свойство – способность материала определенным образом реагировать на отдельный или чаще всего действующий в совокупности с другими внешний или внутренний фактор.

Свойства материалов чаще задаются в виде числовых величин, установленных нормативными документами – государственными стандартами, техническими условиями или строительными нормами. Чтобы определить свойства строительных материалов, их подвергают различным видам испытаний в лабораториях на специальных машинах и оборудовании, используя различную измерительную аппаратуру. В результате испытаний получают конкретные численные показатели, которые характеризуют свойства материала.

Свойства материалов можно регулировать в процессе их изготовления, изменяя сырьё, технологические параметры, применяя разнообразные добавки. При этом, применяя даже один и тот же вид сырья, можно выпускать разные по свойствам строительные материалы. Например. из глиняного сырья можно выпускать кирпич керамический со средней плотностью 1800 кг/м³, пустотелый кирпич со средней плотностью 1350 кг/м³ и керамзит – легкий пористый заполнитель для бетонов – со средней плотностью 350 кг/м³.

Свойства материалов одной группы, например, облицовочных, могут иметь как общие показатели для данной группы, так и специальные, например, повышенная гигиеничность для облицовки операционных помещений, химическая стойкость для предприятий химической промышленности, водостойкость для гидротехнических сооружений и т.д.

Таким образом, при выборе и обосновании целесообразности применения строительного материала для определенных условий его применения требуется учитывать его различные свойства.

По ряду признаков часто выделяют четыре основные группы технических свойств: физические, химические, механические и технологические (табл. 2.1.).

								Таблица 2.1.
Группы некоторых свойств
Физические	Механические				Химические	Технологические
Истинная плотность	Прочность (при сжатии,				Растворимость	Свариваемость
Средняя плотность	растяжении, изгибе, сдви-				Кристаллизация	Ковкость
Пористость	ге, срезе и кручении)			Коррозийная стойкость			Гвоздимость
Теплопроводность	сопротивляемость на раз-				Атмосферостойкость	Дробимость*
Теплоемкость	ные виды статических				Адгезия	Вязкость*
Звукопроницаемость	внешних сил				Когезия	Теплоустойчивость
Водонепроницаемость			Прочность - сопротив-		Твердение*	Спекаемость
Водопоглощение	ляемость на разные виды				Старение	Плавление
Гигроскопичность	динамических внешних				Контракция(стяжка)	Усадка
Влагоотдача	сил (ударных, повторнопе-				Выделение и погло-	Маслоемкость пиг-
Капиллярный подсос	ременных, вибрационных)				щение тепла	Укрывистость мен-
Морозостойкость	Ползучесть				Способность прини-	Интенсивность тов
Огнеупорность	Релаксация				мать закалку	Скорость
Огнестойкость	Хрупкость				Стойкость против	высыхания
Усадка	Хладноломкость				гниения	Слеживаемость*
Равномерность изме-	Красноломкость				Горючесть	Нерасслаиваемость
нения объема*	Истираемость и износ				Температура	смесей
Светостойкость	Усталость				размягчения*
Электрическая	Твердость				Скорость
прочность	Спайность				отверждения*
Удельное объемное и	Токсичность
удельно поверхностное
сопротивление

* – эти свойства могут быть отнесены и к другим группам.

2. Физические свойства

Физические свойства характеризуются параметрами состояния материала или его отношением к действию физических факторов: вода, температура и т.п., поэтому эти свойства можно разделить на подгруппы: структурно-физические, гидрофизические, теплофизические.

1. Структурно-физические свойства.

Структурно-физические свойства характеризуют особенности физического состояния материала: истинная плотность, средняя плотность, насыпная плотность, пористость пустотность и др.

Истинная плотность  – масса единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии:  =m/V_a , кг/м³ , ( 2.1.)

где m – масса материала, кг; V_a – объем в абсолютно плотном состоянии (без пор),м³.

Следовательно, в расчет берется только объем твердого вещества и, таким образом, истинная плотность характеризует не материал, а вещество, из которого состоит материал. Значения истинной плотности зависят в основном от его химического состава, и у материалов с близким химическим составом они различаются незначительно. Так, у каменных материалов, как природных (песок, гранит, известняк), так и искусственных (кирпич, бетон, стекло), состоящих в основном их оксида кремния, алюминия и кальция, истинная плотность колеблется в пределах 2500-3000 кг/м³. Истинная плотность органических материалов, состоящих в основном из углерода, водорода и кислорода (битум, полимеры, масла), составляет 800-1200 кг/м³.

Относительно высокая плотность у всех пород древесины – 1540 кг/м³.

Значением истинной плотности пользуются при определении пористости, расчете состава тяжелого цементного бетона и др. расчетах.

Средняя плотность (в дальнейшем просто плотность), _о – масса единицы объема материала в естественном виде вместе с порами и пустотами:

_о=m/V , кг/м³, (2.2)

где m – масса образца в сухом состоянии, кг; V – объем образца в естественном виде,м³.

Плотность материалов меняется в зависимости от его структуры, например, меняя пористость бетона, можно получить как тяжелый бетон плотностью до 2500 кг/м³, так и особо легкий – плотностью менее 500 кг/м³. В целом, плотность для различных материалов колеблется в широких пределах: от 10 (мипора) до 7850 кг/м³ (сталь).

Средняя плотность большинства материалов меньше их истиной плотности. Например. у керамического кирпича она составляет в среднем 1700 кг/м³ при истинной плотности 2500 кг/м³. Только для так называемых абсолютно плотных материалов (стекло, битум, сталь) значения средней и истинной плотности совпадают. Увеличение влажности материала повышает его плотность, поэтому справочные данные дают плотность материалов в сухом состоянии, и лишь в случае необходимости определяют среднюю плотность во влажном или воздушно-сухом состоянии.

Средняя плотность имеет большое практическое значение (для расчета емкости транспортных средств, складирования материалов, при расчете прочности сооружений с учетом собственной массы).

Относительная плотность d выражает отношение плотности материала к плотности стандартного вещества. В качестве стандартного вещества чаще принимают воду, плотность которой составляет 1000 кг/м³. Тогда, например, легкий бетон плотностью 1400 кг/м³ имеет относительную плотность d=1,4.

Пористостью материала По называют степень заполнения объема материала порами. Пористость, как правило, вычисляют по формуле: П_о=(1-_о/) 100, %, (2.3)

где _о – средняя плотность материала, кг/м³ ,  – истинная плотность, кг/м³.

Поры представляют собой ячейки, не заполненные структурным материалом, По величине они могут быть от сотых и тысячных долей миллиметра до 1...2 мм. Более крупные поры называют пустотами. Поры обычно заполнены воздухом, реже водой.

Пористость строительных материалов колеблется в широких пределах: от 0 (стекло, сталь) до 90-98 % (плиты из минеральной ваты, пенопласты).

Для материалов важно знать не только количественную сторону пористости, но и характер пор, например. замкнутые или открытые.

Так, ячеистое стекло (пеностекло), пористость которого достигает 95 %, имеет замкнутые поры, а водопоглощение может быть 0,2...0,6 %. В то же время кирпич керамический, имеющий пористость около 30 %, т.е. почти в три раза меньшую, благодаря открытому характеру пор активно поглощает воду.

Пористость является основной структурной характеристикой, определяющей такие свойства материалов, как водопоглощение, теплопроводность, морозостойкость, акустические свойства, прочность и др.

В табл.2.2 приведены численные значения пористости, истинной и средней плотности некоторых строительных материалов.

Таблица 2.2. Основные структурно-физические свойства строительных материалов

Материал	Истинная плотность, кг/м3	Средняя плотность, кг/м3	Пористость, %
Гранит	2650...2800	2600...2750	0,2...0,8
Бетон тяжелый	2600...2700	2000...2500	4...20
Бетон легкий	2600...2700	500...1800	35...85
Древесина:
сосна	1540	400... 500	67...73
дуб	1540	610...750	50...60
Стекло оконное	2450...2650	2450...2650	-
Сталь	7800..7850	7800...7850	-
Пенопласты	900...1200	15...75	85...95

Насыпная плотность _н – отношение массы материала в насыпном состоянии к его объему. Насыпную плотность определяют для сыпучих материалов (песка, щебня, цемента и т.п.). Например, истинная плотность известняка 2700 кг/м³, его плотность 2500 кг/м³, а насыпная плотность известкового щебня 1300 кг/м³. По этим данным можно вычислить пористость известняка и пустотность известнякового щебня. Кроме того численными значениями насыпной плотности пользуются для расчета емкости транспортных средств, складов, бункеров, при расчете составов бетонов и строительных растворов.

Пустотность характеризуется наличием пустот в материалах (кирпич пустотелые) или между зернами в сыпучих материалах (песок, щебень) и определяется в процентах от общего объема изделия или материала. Пустотность изделий способствует снижению массы строительных конструкций и улучшению теплозащитных свойств. Значения пустотности некоторых строительных материалов, %: кирпич керамический пустотелый – 15...50%, щебень и песок – 35...45 %.

2. Гидрофизические свойства

Эта группа свойств материалов характеризует их отношение к воде: гигроскопичность, водопоглощение, влажность, водопроницаемость, морозостойкость и др.

Гигроскопичность – способность материалов поглощать и конденсировать водяные пары из воздуха. Поглощение влаги из воздуха обусловлено адсорбцией водяного пара на поверхности и в микрокапиллярах материала. Гигроскопичность зависит как от химикоминералогического состава материала, величины и характера пористости, так и от условий внешней среды – температуры и относительной влажности, а для сыпучих материалов также от их растворимости в воде и дисперсности. Этот процесс носит обратимый характер. Гигроскопичность характеризуется величиной отношения массы поглощенной влаги при относительной влажности воздуха 100 % и температуре 20 С к массе сухого материала и измеряется в процентах. Гигроскопическая влажность для песка составляет 4...9 %, керамических стеновых материалов 5...7 %, древесины – 12...18 %.

Гигроскопичность материалов приводит, как правило, к ухудшению свойств материалов, например, к снижению активности цемента, к набуханию и короблению древесины и снижению её прочности, увеличению теплопроводности теплоизоляционных материалов. Снизить гигроскопичность можно, покрывая поверхность материала гидрофобными (водоотталкивающими) веществами. Например, древесину покрывают водостойкими красками и лаками, а в цементный клинкер при помоле вводят мылонафт, асидол или другие гидрофобизующие добавки.

Водопоглощение – свойство материала поглощать и удерживать воду при непосредственном с ней соприкосновении. Водопоглощение зависит от пористости материала и характеризуется максимальным количеством воды, которое может поглотить абсолютно сухой материал. Количество поглощенной воды, отнесенное к массе сухого материала, называют водопоглощением по массе, а отнесенное к его объему – водопоглощение по объему.

W_m = 100 ( m₂ - m_{1 ) /} m₁ , % (2.4.)

W_v = 100 ( m₂ - m_{1 ) /} V , % (2.5.)

где m₁ и m₂ – масса материала соответственно в сухом и насыщенном водой состоянии, г; V – объем материала, см³.

Отношение водопоглощения по объему к водопоглощению по массе численно равно средней плотности материала в г/ см³.

W_v / W_m = m₁ / V = _о (2.6)

Водопоглощение по объему всегда меньше 100 % , так как часть объема материала занимает его вторичное вещество, водопоглощение по массе пористых и очень легких материалов, например, торфяных теплоизоляционных плит, может превышать 100 % . Водопоглощение различных строительных материалов колеблется в очень широких пределах. Так, водопоглощение по массе для металлов, стекла равняется нулю, гранита 0,5...0,7 % , тяжелого бетона 2...4 % , керамического кирпича 8...20 % . В связи с тем, что водопоглощение связано с рядом других свойств материалов (прочностью, морозостойкостью), при необходимости оно нормируется.

Водопроницаемость – способность материала пропускать воду под давлением. Характеристикой водопроницаемости служит количество воды, прошедшее в течение 1 с через 1 м²³ поверхности материала при заданном давлении воды. Водопроницаемость зависит от плотности и строения материала. Чем больше в материале пор и чем эти поры крупней, тем больше его водопроницаемость.

При выборе материалов для специальных целей (кровельные материалы, бетоны для гидравлических сооружений, трубы и др.) чаще оценивают не водопроницаемость, а водонепроницаемость, которая характеризуется предельной величиной давления воды, при котором вода не проходит через образец. В зависимости от значения давления в МПа устанавливаются марки по водонепроницаемости, например, для бетонов W0,2...2,0.

Влажность – величина, показывающая сколько воды в момент определения находится в материале по отношению к его сухой массе (реже по отношению к объему материала). Влажность материала выражается в процентах и может изменятся от 0 (абсолютно сухой материал) до значений полного водопоглощения. Влажность материала зависит как от свойств самого материала (пористость, гигроскопичность), так и от окружающей его среды (влажность воздуха), атмосферных явлений (дождь, таяние снега). С повышением влажности материала ухудшаются теплозащитные свойства, морозостойкость и другие показатели.

Влажность материала вычисляют по формуле:

W = 100 ( m₂ - m_{1 ) /} m₁ , % (2.7)

где m₁ и m₂ – масса соответственно сухого и влажного материала, кг.

Морозостойкость – это способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без снижения прочности при сжатии не более 15 % (для некоторых материалов не более 25 %) и потери массы не более 5 %.

Морозостойкость материала зависит от его пористости и водопоглощения. Вода, находящаяся в порах, при замерзании увеличивается в объеме почти на 10 %. В результате стенки некоторых пор разрушаются и при повторном увлажнении вода проникает глубже в материал. Такие циклически повторяющиеся замораживания и оттаивания с увлажнением постепенно разрушают материал. Морозостойкость характеризуется числом циклов попеременного замораживания при -17С и оттаивания в воде при температуре около 20С. Выбор температуры замораживания -17С вызван тем, что при более высокой температуре вода, находящаяся в мелких порах и капиллярах, не может вся замерзнуть. Число циклов, которые должен выдерживать материал, зависит от условий его будущей службы в сооружении, климатических условий и оговаривается стандартами на материалы.

По морозостойкости материалы подразделяются на марки: F (Мрз) 15, 25, 35...500 (цифра обозначает число циклов.

В лабораторных условиях замораживание образцов производят в морозильных камерах. Существует также ускоренный метод испытания, по которому образцы погружают в насыщенный раствор сернокислого натрия и затем высушивают при температуре 100...110С. Образующиеся при этом в порах камня кристаллы десятиводного сульфата натрия (со значительным увеличением объема) давят на стенки пор ещё сильнее, чем вода при замерзании. Такое испытание является особо жестким. Один цикл испытания в растворе сернокислого натрия приравнивается к 5...10 и даже 20 циклам прямых испытаний замораживанием. Если образцы после замораживания не имеют следов разрушения, то степень морозостойкости устанавливают по коэффициенту морозостойкости:

K_F = R_F / R_B, (2.8)

где R_F – предел прочности при сжатии материала после испытания на морозостойкость, МПа; R_B – предел прочности при сжатии водонасыщенного материала, МПа. Для морозостойких материалов K_F не должен быть менее 0,75.

Водостойкость – способность материала сохранять механические свойства в насыщенном водой состоянии. Во время увлажнения материала понижается прочность вследствие нарушения связей между частицами материала проникающими молекулами воды. Водостойкость характеризуют коэффициентом размягчения:

K_разм = R_н / R_с, (2.9)

где R_н – предел прочности при сжатии материала, насыщенного водой, МПа;

R_с – предел прочности при сжатии материала в сухом состоянии, МПа.

Коэффициент размягчения может изменятся от нуля (глина, известь) до единицы (сталь, стекло). К водостойким относятся материалы с коэффициентом размягчения более 0,8. Материалы с K_р менее 0,8 в местах, подвергающихся систематическому увлажнению, применять не разрешается.

Из других гидрофизических свойств можно назвать влагоотдачу, воздухостойкость, паропроницаемость, влажность деформации – усушка и набухание, коэффициент насыщения пор водой и др.

3. Теплофизические свойства

Отношение материала к постоянному или переменному тепловому воздействию характеризуется его теплопроводностью, теплоемкостью, термической стойкостью, огнестойкостью, огнеупорностью.

Теплопроводность – свойство материала передавать тепло через толщу от одной поверхности к другой. Численно теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопроводности , т.е. количеством теплоты (Дж), проходящей через материал толщиной 1м, площадью 1 м² в течение 1 с при разности температур на противоположных поверхностях материала 1С. Значение коэффициента теплопроводности зависит от степени и характера пористости, химического состава и структуры материала, влажности и температуры, при которых происходит процесс передачи теплоты. Материалы слоистого или волокнистого строения имеют различную теплопроводность в зависимости от направления потока теплоты по отношению к волокнам. Например, у древесины теплопроводность вдоль волокон в 2 раза больше, чем поперек волокон. Материалы кристаллического строения более теплопроводны, чем материалы того же состава, но аморфного строения.

В значительной мере теплопроводность зависит от величины пористости, размера и характера пор. Поры, как правило, заполнены воздухом, а воздух имеет самый низкий коэффициент теплопроводности – 0,023 Bm / м· С. Мелкопористые материалы и материалы с замкнутыми порами обладают меньшей теплопроводностью, чем крупнопористые материалы и материалы с сообщающимися порами. Это объясняется тем, что в крупных и сообщающихся порах возникает движение воздуха, сопровождающееся переносом тепла.

Теплопроводность однородного материала зависит от плотности. Известна формула В.П.Некрасова, связывающая теплопроводность  с относительной плотностью каменного материала, d:

 = 1.16 0.0196 + 0.22 d² – 0.16, Bm/м·С. (2.10)

На коэффициент теплопроводности большое влияние оказывает влажность. Влажные материалы более теплопроводны, чем сухие. Объясняется это тем, что теплопроводность воды в 25 раз выше теплопроводности воздуха. Ещё в большей степени возрастает теплопроводность сырого материала с понижением его температуры, особенно при замерзании воды в порах, так как теплопроводность льда равна 2.3 Bm / м· С, т.е. в 4 раза больше, чем у воды.

Теплопроводность большинства строительных материалов увеличивается с повышением их температуры и лишь у немногих, например, металлов, она уменьшается.

Материалы органического происхождения по сравнению с минеральными при одинаковой средней плотности имеют коэффициент теплопроводности ниже. В табл. 2.3 приведены коэффициенты теплопроводности некоторых строительных материалов.

Таблица 2.3. Теплопроводность некоторых строительных материалов

Наименование	Теплопроводность	Наименование	Теплопроводность
материала	Bm/мС	материала	Bm/мС
Сталь	60	Вода	0.59
Гранит	2,8...3,0	Бетон легкий	0,35...0,8
Бетон тяжёлый	1,1...1,5	Бетон ячеистый	0,15...0,40
Кирпич керамический	0,7...0,8	Пеностекло	0,05...0,12
обыкновенный
Кирпич керамический		Вата минеральная	0,04...0,046
пустотелый	0,3...0,4	Поропласты	0,03...0,05

Теплопроводность имеет важное значение для материалов, используемых в качестве стен и перекрытий отапливаемых зданий , для изоляции тепловых агрегатов ( котлов, теплосетей, холодильников и т.п.). По коэффициенту теплопроводности определяют принадлежность материалов к теплоизоляционным. В частности, теплоизоляционные материалы должны иметь коэффициент теплопроводности не выше 0.18 Bm / м· С и среднюю плотность на более 600 кг/м³.

Термическое сопротивление – величина, обратная теплопроводности:

R=/, м²С/Bm , (2.11)

где  – толщина слоя материала, м;  – теплопроводность слоя материала, Bm / м· С.

От термического сопротивления зависят толщина наружных стен и расход топлива на отопление зданий.

Теплоёмкость – это способность материалов во время нагревания поглощать теплоту. Показателем теплоёмкости служит удельная теплоёмкость (коэффициент теплоёмкости), равная количеству теплоты, необходимой для нагревания одного килограмма материала на один градус Цельсия. Удельная теплоёмкость большинства природных и искусственных каменных материалов находится в пределах от 0.75 до 0.92 кДж / кг · С. По этому количество теплоты, нужное для нагрева той или иной строительной конструкции до одной и той же температуры, зависит не от вида материала, а от массы конструкции. Теплоёмкость сухих органических материалов (например, древесины) около 2,39...2,72 кДж / кг · С. Вода имеет наибольшую теплоёмкость 4.18 кДж/кгС, поэтому с повышением влажности материалов их теплоёмкость возрастает.

Коэффициент теплоёмкости использую при теплотехнических расчетах: теплоустойчивости стен и перекрытий отапливаемых зданий с целью сохранения температуры в помещении без резких колебаний при изменении теплового режима, при расчете температуры нагрева материалов для зимних бетонных работ и т.д.

Огнестойкость – свойство материалов сопротивляться действию огня в течении определенного времени, не разрушаясь. Это свойство важно при пожарах, а так как в процессе тушения пожаров применяют и воды, то при оценке степени огнестойкости материала действие высокой температуры сочетают с действием воды. Огнестойкость зависит от сгораемости материалов, т.е. от его способности воспламенятся и гореть. Строительные материалы по огнестойкости делят на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы – это материалы которые под действием огня или высокой температуры не горят, не тлеют и не обугливаются. При этом некоторые материалы почти не деформируются ( кирпич, черепица), другие могут растрескиваться (гранит) или деформироваться (металлы), поэтому стальные конструкции часто требуется защитить другими, более огнестойкими материалами.

Трудносгораемые материалы под воздействием высоких температур с трудом воспламеняются, тлеют и обугливаются, но только в присутствии огня. При удалении огня процессы горения, тления и обугливания прекращаются (асфальтовый бетон, древесина. пропитанная антипиренами, гидроизол и др.).

Сгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются и горят или тлеют и после удаления источника огня (древесина, битум. войлок и др.).

Граница огнестойкости характеризуется промежутком времени от начала возгорание до потери несущей способности, появления сквозных трещин в конструкции и т.п.

Огнеупорность – свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры, не деформируясь и не расплавляясь. Материалы по степени огнеупорности подразделяются на легкоплавкие, тугоплавкие и огнеупорные.

Легкоплавкие материалы – это материалы, выдерживающие температуру ниже 1350С (кирпич керамический): тугоплавкие выдерживают температуру в интервале 1350...1580С (гжельский кирпич) и материалы, выдерживающие температуры в процессе эксплуатации более 1580С называют огнеупорными (шамот, динас, хромомагнезит и др.).

Значением огнеупорности пользуются при выборе материалов для различных отопительных устройств (печей, труб обмуровки котлов и др.).

Из других теплофизических свойств можно назвать жаростойкость, термическая стойкость, теплостойкость, температурные деформации (огневая усадка, температурный коэффициент линейного расширения) и др.

3. Химические свойства

Химические свойства характеризуются способностью материалов сопротивляться действию кислот, щелочей, растворенных в воде газов и солей. К этим свойствам можно отнести кислотостойкость, щелочестойкость, токсичность и др.

Кислотостойкость – способность материала сопротивляться действию кислот. Обычно она оценивается потерей массы образца материала, выдержанного в кислоте определенной концентрации. Время выдержки, концентрация кислоты и другие параметры регламентируются соответствующими стандартами. Например, кислотостойкость канализационных керамических труб составляет не менее 92 % (т.е. потеря массы до 8 %), а шлакоситаллов – до 99 %.

Щёлочестойкость – это способность материала сопротивляться действию щелочей практически без разрушения. Методика определения щелочестойкости аналогична кислотостойкости.

Стойкость неорганических материалов к действию кислот и щелочей зависит от их состава и структуры. Например, силикатные материалы (стекло, кварц, и др.), которые состоят в основном из оксида кремния, стойкие к действию кислот, но способны взаимодействовать со щелочами, а цементный камень, известняк в состав которых входит оксид кальция – щелочестойки, но легко разрушаются по действием кислот. К наиболее химически стойких относятся полимерные материалы, но и они подвергаются химической деструкции.

Коррозия – разрушение материалов под действием агрессивной Среды, которое сопровождается химическими и электрохимическими процессами. Коррозийному разрушению подвергаются не только металлы, но и каменные материалы, бетон, пластмассы, древесина.

Основные агрессивные агенты, вызывающие коррозию строительных материалов, следующие: пресная и солёная вода, минерализованные почвенные воды, растворенные в дождевой воде, газы (SO₂, SO₃, NO₂) от промышленных предприятий и автомашин. На промышленных предприятиях коррозию строительных материалов часто вызывают более сильные агенты: растворы кислот и щелочей, расплавленные материалы и горючие газы.

Особый вид коррозии – биокоррозия – разрушение материалов под действием живых организмов, например, грибков, микробов. Биокоррозия – это не только гниение органических материалов (древесина), но и разрушение бетона и металла продуктами жизнедеятельности поселившихся в них микроорганизмах.

Старение – изменение структуры и химического состава материалов под влиянием внешней среды (солнечное облучение, кислород воздуха и повышение температуры). Наиболее процессам старения подвержены органические материалы: пластмассы, битумы. Следствием старения материалов бывает увеличение их хрупкости, появление микротрещин, изменение цвета или, наоборот, размягчение, возникновение липкости. И в первом и во втором случае они становятся непригодными для дальнейшей эксплуатации. Чтобы продлить срок службы, например, пластмасс, при изготовлении в них вводят противостарители (стабилизаторы).

Токсичность – способность материалов в процессе изготовления и особенно эксплуатации выделять вредные для здоровья людей вещества. Некоторые строительные материалы не рекомендуется применять в жилых помещениях, детских садах и т.п. Это, в основном, касается ряда материалов, изготовленных на основе полимеров. Токсичность отдельных пластмасс необходимо учитывать, руководствуясь в каждом конкретном случае санитарными нормами.

Целую группу свойств составляют физико-химические свойства: удельная поверхность, вязкость, когезия, адгезия. способность к твердению и др.

2.4. Механические свойства

Механические свойства характеризуются способностью материала сопротивляться всем видам внешних воздействий с приложением силы. Основные механические свойства строительных материалов: прочность, твердость, истираемость и др.

Прочность – свойство материала сопротивляться, не разрушаясь, внутренним напряжением и деформациям под действием нагрузки или других факторов. Прочность материалов является одной из основных характеристик для большинства строительных материалов, т.к. они в сооружениях всегда подвергаются тем или иным воздействиям, вызывающим напряженное состояние: сжатие, растяжение, изгиб, срез, удар и др. Схему разрушения можно проследить на следующем примере.

Ч астицы, из которых состоит твердый материал, удерживаются в равновесии силами взаимного сцепления. Если к какому-либо образцу материала приложить внешнюю силу F, например, растягивающую (рис.2.1.), то её действие равномерно распределяется на все частицы материала: материал окажется в напряженном состоянии. Напряжение вызовет изменение расстояний между частицами – материал начнет деформироваться (в данном случае – растягиваться). а

I II

F F

б

F I

Ç = F / S

в

 F

Ç = F / S

Рис. 2.1. Схема определения напряжений при растяжении.

Для определения значений напряжений Ç , т.е. внутренних сил, приходящихся на единицу площади поперечного сечения, возникающих в материале при приложении к нему внешней силы F, мысленно делают поперечные разрез образца (а-а). Чтобы образовавшиеся половинки  и  оставались в равновесии, внешней силе F должны противодействовать равная ему сила ÇS, где S – площадь поперечного сечения образца материала, откуда:

Ç=F/S, МПа (2.12)

При увеличении действующей силы напряжения в материале возрастают и могут превысить силу сцепления частиц – материал разрушается. 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.

Прочность материала характеризуется значением предела прочности R – напряжением в испытуемом образце материала в момент его разрушения. В зависимости от характера приложения нагрузки F и вида возникающих напряжений различают предел прочности при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании.

Предел прочности при сжатии определяют испытанием образцов правильной геометрической формы (куб, призма, цилиндр) на механических или гидравлических прессах. Форма, размеры устанавливаются ГОСТом и должны строго выдерживаться, т.к. они существенно влияют на результаты испытаний. Так, призмы и цилиндры меньше сопротивляются сжатию, чем кубы. Это объясняется тем, что при сжатии образца плиты пресса плотно прижимаются к опорным плоскостям его и возникающие силы трения удерживают от расширения прилегающие поверхности образца, а боковые центральные части образца испытывают поперечное расширение, которое удерживается только силами сцепления между частицами. Поэтому, чем дальше находится сечение образца от плит пресса, тем легче происходит разрушение в этом сечении и образца в целом. По этой же причине при испытании хрупких материалов (камня, бетона, кирпича, и т.п.) образуется характерная форма разрушения – образец превращается в две усеченные пирамиды, сложенные вершинами (рис. 2.2).

Предел прочности при сжатии вычисляют по формуле:

R_сж = F / S ,МПа (кГс / см²) (2.13)

где F – разрушающее усилие, Н (кгс);

S – площадь поперечного сечения образца, м² (см²)

Рис.2.2. Образец куба

На прочность материала оказывают влияние не только форма и размеры образца, но и характер его поверхности и скорость приложения нагрузки. Поэтому для получения сравнимых результатов нужно придерживаться стандартных методов испытания для данного материала.

Прочность зависит также от структуры материала, после испытания на сжатие его плотности, пористости, влажности, температуры. Схема стандартных методов определения прочности при сжатии некоторых материалов приведена на рис. 2.3.

Образец	Эскиз	Расчетная формула	Материал	Размер стандартного
				образца, см
Куб		Rсж = F / а2 ,	Бетон Раствор	151515 7.077.077.07
			Природный камень	555; 151515 и др.
Цилиндр		Rсж=4F/ d2	Бетон	d=15; h=30
			Природный камень	d=h=5; 7; 10; 15
Призма		Rсж = F / а2	Бетон	а=10; 15; 20; h=40; 60; 80
			Древесина	а =2; h = 3
Составной		Rсж = F / S	Кирпич	а = 12.5; b = 12; h = 14
Половина призмы		Rсж = F / S	Цемент	а = 12 S = 25 см2

Рис. 2.3. Схема стандартных методов определения пределов прочности при сжатии.

Предел прочности при сжатии для разных строительных материалов может находится в пределах от 0.5 до 1000 МПа. По численному значению предела прочности при сжатии для многих строительных материалов устанавливают их марку.

Чтобы сравнить эффективность материалов, пользуются значением коэффициента конструктивного качества (ккк), который характеризуется отношением предела прочности при сжатии к величине относительной плотности: Ккк= R_сж/d, (2.14)

где R_сж – предел прочности при сжатии, МПа; d – относительная плотность.

Более эффективным являются материалы, у которых выше ккк, т.е. материалы должны быть легкими, но прочными. Некоторые усредненные значения ккк: кирпич керамический – 11; тяжелый бетон – 21; сталь – 52; сосна – 95.

Показатели прочности некоторых строительных материалов приведены в таб. 2.4.

Таблица 2.4. Прочность строительных материалов

Наименование материала	Предел прочности , МПа , при
	сжатии	изгибе	растяжении
Сталь Шлакоситалл Бетон тяжелый Гранит Кирпич керамический Сосна вдоль волокон Плиты древесноволокнистые Стеклопластики	– 500..600 15,0...80,0 100..250 7,5...30,0 30...65 – 250...400	– 90..120 0,5...10,0 14 1,5...5.0 60...120 0,4...20,0 240...550	380...450 25...35 1...4 8 0,8...3,0 70...130 – 220...350

Предел прочности при изгибе определяют на образцах в виде балочек, расположенных на двух опорах и нагруженных одним или двумя сосредоточенными грузами (табл.2.5.).

Предел прочности при изгибе определяют по формулам:

при одной сосредоточенной силе и балке прямоугольного сечения:

R_и = 3Fl / 2bh² , МПа ; (2.15)

при двух равных силах, расположенных симметрично оси балки:

R_и = Fl / bh² , МПа ; (2.16)

где F – разрушающая нагрузка, Н; l – пролет между опорами, м; b и h – ширина и высота поперечного сечения балки, м.

Таблица 2.5. Схемы стандартных методов определения предела прочности при изгибе и растяжении

Образец	Схема испытаний	Расчетная формула испытания	Материал	Размер стандартного образца, см
Призма, кирпич		При изгибе	Цемент	4416 (l=10)
(в натуре)		Rи = 3Fl / 2bh2	Кирпич	126, 525 (l=20)

Продолжение таблицы 2.5

Призма			Бетон	151560
		Rи = Fl / bh2	Древесина	2230 (l=24)
Стержень, “восьмерка”,		При растяжении Rр = 4F /  d2	Бетон	5550 ; 101080
призма		Rр = F / а2	Сталь	do =1; (lo=5); l10d
Цилиндр		Rр.р = 2F /  d l	Бетон	d = 15

У каменных материалов предел прочности при изгибе в 5...15 раз меньше, чем при сжатии. У древесины прочность при изгибе выше прочности при сжатии (в 1,5...2 раза). Прочность древесины при сжатии вдоль волокон близка к прочности бетона, а при изгибе она прочнее бетона более чем в 10 раз.

Предел прочности при растяжении определяется на образцах имеющих форму “восьмерки” , полоски, стержня (рис.2.4).

Испытание проводят на разрывных машинах. Предел прочности при растяжении вычисляют по формуле: R_р = F / S , МПа, (2.17)

где F – разрушающая сила , Н; S – площадь сечения образца до испытания, м² .

Для рулонных, кровельных, гидроизоляционных материалов (толь. рубероид) прочность при растяжении оценивается разрушающим усилием в Н, для битумов определяют растяжимость в см в момент разрыва. Предел прочности при растяжении некоторых материалов приведен в табл. 2.4. Из приведенных данных видно, что каменные материалы плохо работают на растяжение (гранит, бетон, кирпич). Высоким пределом прочность при растяжении обладают некоторые виды пластмасс, особенно с листовыми и волокнистыми наполнителями. Например, предел прочности при растяжении древесно-слоистого пластика достигает 160 МПа, стекловолокнистого анизотропного материала (СВАМ) – 450 МПа.

Твердость – свойство материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого материала. Для определения твердости материала существует несколько методов. Например, для минералов и каменных материалов однородного строения существует шкала твердости Мооса, состоящая из 10 минералов различной твердости от 1 до 10 :

1. Тальк – легко царапается ногтем.

2. Гипс – царапается ногтем.

3. Кальцит – легко царапается стальным ножем.

4. Плавиковый шпат – царапается стальным ножем под небольшим нажимом.

5. Апатит – царапается ножем под сильным нажимом.

6. Полевой шпат – слегка царапает стекло, стальным ножем не чертится.

7. Кварц – легко чертит стекло, стальным ножем не чертится.

8. Топаз.

9. Корунд.

10. Алмаз.

Предел прочности при скалывании определяется на образцах, имеющих форму показанную на рисунке 2.5. Это свойство характерно, в основном, для древесины, причем определяют

F - предел прочности при скалывании вдоль и поперек волокон.

R_ск = F / S , МПа , (2.18)

где F – разрушающая сила, Н ;

S – площадь скалываемой поверхности , м² .

Рис. 2.5. Схема испытания

образцов на скалывание

Численное значение предела прочности при скалывании вдоль волокон для основных древесных пород составляет 6...13 МПа, а при скалывании поперек волокон в 3..4 раза выше. Это свойство имеет большое значение при устройстве рубок, клеевых швов и т.п.

Показатель твердости испытуемого материала находится между показателями твердости двух соседних материалов, из которых один чертит, а другой чертится этим материалом. Твердость таких материалов, как металлы и пластмассы определяют вдавливанием стандартного стального шарика под определенной нагрузкой и в течении определенного времени. За характеристику твердости в этом случае принимают отношение нагрузки к площади отпечатка. Показатели твердости, полученные разными способами, нельзя сравнивать. Высокая прочность материала не всегда говорит о его твердости (например, древесина по прочности при сжатии равнозначна бетону, а её твердость значительно меньше, чем у бетона).

Истираемость – свойство материала сопротивляться истирающим воздействиям и характеризуется потерей первоначальной массы, отнесенной к 1 м² площади истирания:

И = ( m₁ – m₂ ) / S , кг / м² , (2.19)

где m₁ – масса образца до истирания, кг; m₂ – масса образца после истирания, кг;

S – площадь истирания, м² .

Сопротивление истиранию определяют, пользуясь стандартными методами: кругом истирания и абразивными материалами (кварцевым песком или наждаком). Это свойство важно для материалов, предназначенных для полов, дорожных покрытий, лестничных ступеней и т.п. Значение истираемости некоторых строительных материалов, кг / м² : гранит 1...5; керамическая плитка для полов 2,5...3,0; цементный раствор 6...15.

Одноименное воздействие истирания и удара характеризует износостойкость материала. Определение износостойкости производится с помощью вращающихся барабанов, куда вместе с пробой материала часто загружают определенное количество металлических шаров, усиливающих эффект измельчения. За характеристику износа принимают относительную потерю массы образца в процентах от пробы материала.

Сопротивление удару – способность материала сопротивляться ударным нагрузкам. Таким нагрузкам подвергаются строительные материалы в конструкции полов, дорожных покрытий, бункеров и некоторых других. Для испытания материалов на удар применяют копры. Сопротивление удару характеризуется работой, затраченной на разрушение образца материала, отнесенной к объему материала и вычисляется по формуле:

R_уд = n m h / V , Дж / м³ , (2.20)

где n – число ударов, m – вес груза, Н; h – высота падения, м; V – объем образца, м³ .

Иногда при испытании на удар определяют показатель сопротивления удару – это порядковый номер удара по образцу, который предшествует появлению в нем первой трещины. По показателю сопротивления удару каменные материалы делятся на группы: очень хрупкие (СП менее 2), хрупкие (2...5), вязкие (6...10), очень вязкие (более 10).

К группе механических свойств относятся и деформативные свойства, которые характеризуют изменение размеров и формы материалов под нагрузкой. Основными деформативными свойствами строительных материалов являются: упругость, пластичность, хрупкость, ползучесть, усталость, релаксация и др.

Рассмотрим основные свойства.

Пластичность – способность материала изменять форму и размеры при нагружении без образования трещин и разрывов, причем после прекращения действия силы материал не может самопроизвольно восстановить свои размеры и форму и в нем остаются остаточные деформации, называемые пластическими деформациями. Пластическую или остаточную, деформацию, не исчезающую после снятия нагрузки, называют необратимой. Пластичность некоторых строительных материалов изменяется под действием температуры: при нагревании – повышается, при охлаждении – снижается. К таким материалам относятся битумы, некоторые сорта стали и ряд полимерных материалов.

Упругостью называют свойство материалов деформироваться под влиянием нагрузки и самопроизвольно восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешней силы. Восстановление первоначальной формы может быть полным при малых нагрузках и не полным – при больших. В последнем случае в материале возникают остаточные деформации. Предел упругости материала – это то наибольшее напряжение, при котором ещё не обнаруживается их остаточная (пластическая) деформация. Условный предел упругости представляет собой наименьшее напряжение, которое вызывает появление остаточной деформации, допускаемой ГОСТом для данного материала.

Хрупкость – это свойство материалов под действием внешних сил разрушатся без значительной пластической деформации (свойство, противоположное пластичности). Для хрупких материалов характерно слабое сопротивление ударным нагрузкам, например, стекло, чугун, некоторые полимерные материалы, а также значительная разница между пределами прочности при сжатии и растяжении, например, у гранита, бетона. Пластичность и хрупкость строительных материалов могут изменятся не только под действием температуры, но и с изменением влажности и скорости нарастания действующей нагрузки. Например, некоторые битумы хрупки при медленно нарастающей нагрузке, глины в сухом состоянии и весьма пластичны во влажном.

Механические свойства материала характеризуются диаграммой деформации (рис.2.6).

   

А В

   

Рис. 2.6. Схема диаграмм деформаций  от напряжения  : а – стекла; б – стали; в – бетона; г – эластомера; А–В – площадка текучести.

На рис. 2.6 представлены кривые – для строительных материалов: упругих, пластичных, хрупких, эластомеров. Стекло деформируется как упругий хрупкий материал. (рис. 2.6,а).

Нелинейное соотношение между напряжением и деформацией у некоторых материалов проявляется при относительно высоких напряжениях. Так, у материалов с конгломератным строением, например, бетонов оно отчетливо наблюдается уже при напряжениях, превышающих 0.2 предела прочности.

Упругая деформация эластомера (каучуков) может превышать 100%. Первоначально для распрямления цепей молекул эластомера требуется низкое напряжение. По мере распрямления цепей молекул сопротивление дальнейшему деформированию возрастает, так как увеличение деформаций вызывает разрыв связей уже выпрямленных молекул (рис. 2.6,г).

2.5. Технологические свойства.

Технологические свойства характеризуют способность материалов к восприятию некоторых технологических операций, изменяющих состояние материала, структуру его поверхности, придающих нужную форму и размеры и т.п. К этим свойствам можно отнести технологичность, полируемость, дробимость, гвоздимость, формуемость и др.

Технологичность – свойство материалов перерабатываться различными технологическими методами, вследствие чего практически полностью сохраняется его структура и свойства исходного материала. К числу технологических материалов можно отнести, например, полимерные материалы, древесину и др.

Полируемость – это способность материала воспринимать обработку тонкими абразивными материалами. При этом создается гадкая блестящая поверхность и ярче проявляются декоративные свойства материала. Полированию хорошо поддаются каменные материалы (гранит, лабрадорит, мрамор, кварцит и др.).

Дробимость характеризует способность материалов дробиться вследствие механического действия ударных или сжимающих нагрузок. При этом образуется материал в виде щебня или песка. Дробление можно осуществлять, используя действие электрического шока, термического удара, пневмовзрыва и др. Для некоторых материалов (щебень) определяется марка дробимости.

Гвоздимость выражает способность материала удерживать гвозди и шурупы. Это свойство особенно важно для стеновых материалов, применяемых в жилищном строительстве. Высокая гвоздимость присуща древесине.

Формуемость – это свойство материалов принимать определенную форму вследствие различных механических воздействий (прессование, выдавливание, прокат, вибрирование). Хорошей формуемостью обладает глиняное тесто, растворная смесь, пластмассы и др.

Слеживаемость характерна для зернистых материалов, особенно порошкообразных, которые во время длительного хранения способны к комкованию, уплотнению, уменьшению сыпучести (цемент, гипсовые вяжущие и др.).

2.6. Взаимосвязь состава, структуры и свойств материалов.

Свойства материалов связаны с особенностями их строения и со свойствами тех веществ, из которых данный материал состоит. Строение, в свою очередь, зависит: для природных материалов – от их происхождения и условий образования, для искусственных – от технологии изготовления и обработки материалов. Поэтому эта связь между строением и свойствами должна быть усвоена. Основные свойства материала зависят от их химического, минералогического, фазового состава.

В зависимости от химического состава все материалы делят на три группы : органические (древесина, битум, пластмассы), минеральные (бетон, кирпич, цемент, природный камень и т.п.) и металлы (сталь, чугун, алюминий). Каждая из этих групп имеет свои особенности. Так, все органические материалы горючи, минеральные – огнестойки, металлы хорошо проводят электричество. Химический состав обычно характеризуется процентным содержанием оксидов в металле и позволяет судить о других технических характеристиках (биостойкости, огнеупорности, прочности, пластичности, цвете и т.п.).

Оксиды, химически связанные между собой, образуют минералы, которые характеризуют минеральный (минералогический) состав материала.

Материалы могут быть мономинеральными (гипс) и полиминеральными. Меняя процентное содержание различных минералов в одном и том же материале можно управлять свойствами материала, например, получать не только обычные портландцемент, но и его разновидности: сульфатостойкий, белый, быстротвердеющий портландцемент.

Фазовый состав характеризуется наличием в материале различных фаз: твердой (кристаллические и аморфные вещества), жидкой (вода) и газообразной (воздух). Твердые вещества образуют “каркас” материала, стенки пор, которые заполнение водой и воздухом. Когда вода вытесняет воздух или осуществляется переход воды в твердое состояние (лед), тогда изменяется прочность и теплопроводность материала.

Не меньше, чем химический и минералогический состав, на свойства материала влияет его строение. При одном и том же химическом составе материалы различного строения обладают различными свойствами. Например, мел и мрамор – две горные породы, состоящие из карбоната кальция СаСО₃, но пористый рыхлый мел имеет низкую прочность и легко размокает в воде, а плотный мрамор прочен и стоек к действию воды. Это зависит от внутреннего строения материала и по этому состоянию материалы могут быть кристаллическими и аморфными. Большинство природных и сыпучих каменных материалов – это кристаллические тела, для которых характерно правильное расположение атомов (или молекул) в отличие от аморфных, где атомы расположены хаотично.

Различие в строении кристаллических и аморфных веществ определяют и различие в их свойствах. Так, аморфные вещества, обладая нерастраченной внутренней энергией кристаллизации, химически более активны, чем кристаллические такого же состава. Например, расплав доменного шлака, используемый для получения шлаковых цементов, охлаждают по специальному ускоренному режиму для получения аморфного строения, обладающего повышенной химической активностью. Аморфное строение имеют также горные породы, применяемые в качестве активных минеральных добавок к цементам (туфы. пемзы, диатомиты, трепелы),

Прочность аморфных веществ, как правило. ниже прочности кристаллических, поэтому для получения материалов повышенной прочности специально проводят кристаллизацию стекол. например, при получении ситаллов и шлакоситаллов.

Изменяя внутреннее строение материала, можно изменить свойства материала, например, получить закаленное стекло или производить закалку металлов.

Не меньшее влияние на свойства материалов оказывает его макро- или микроструктура. Под структурой материала понимают взаимное расположение, форму и размер частиц материала, наличие пор, их размер и характер. Макроструктура материала – строение, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении. Микроструктура – строение материала, видимое только под микроскопом.

Макроструктура твердых строительных материалов может быть плотной (гранит, сталь), пористая (пеностекло, ячеистые бетоны), рыхлозернистая (песок, щебень), слоистая (фанера, слоистые пластики), волокнистая (шлаковата, асбест). Строение материала существенно влияет на его свойства. Например, чем больше пористость, тем легче материал, тем меньше коэффициент теплопроводности.

Поры – один из важнейших элементов структуры большинства строительных материалов. Они представляют собой воздушные ячейки в материале размерами от долей миллиметра до сантиметра. Количество, размер и характер пор (замкнутые или сообщающиеся) во многом определяют свойства материала. Например, пористое стекло (пеностекло) в отличие от обычного непрозрачное, легкое и может распиливаться обычной пилой.

Форма и размер частиц твердого вещества, из которого состоит материал, также влияют на свойства материала. Так, если обычное стекло расплавить и из расплава вытянуть тонкие волокна, то получится легкая и мягкая вата.

По структурному состоянию материалы можно разделить на изотропные, если во всех направлениях свойства материала одинаковые, и анизотропные, если свойства в разных направлениях разные. Приме анизотропного материала волокнистого строения – древесина. Древесина набухает поперек волокон в 10-15 раз больше, чем вдоль, а прочность древесины по разным направлениям совершенно различна.

2.7. Физико-химические принципы получения строительных материалов.

Свойства строительных материалов и изделий определяются особенностями применяемой технологии. которая включает совокупность разных процессов, направленных на получение из исходного сырья готовой продукции.

Общая схема технологии производства строительных материалов включает добычу и транспортировку сырья к предприятию, подготовку рабочей смеси и ее обработка, формование изделий, их обработку до получения качественных показателей. Готовые изделия транспортируются на склад готовой продукции, где их хранят и отправляют затем потребителю. В зависимости от вида материалов некоторые стадии технологического процесса могут исключаться, например, добыча сырья, если оно привозное, приготовление рабочей смеси – при изготовлении изделий из природного камня или однокомпонентного сырья и др. Все технологические процессы можно классифицировать, как:

– механические: измельчение, помол, просеивание, фракционирование, перемешивание, формование, уплотнение и др.;

– химические: антисептирование, экстрагирование, гидрофобизация, окисление и др.;

– тепловые: сушка, обжиг, пропаривание, автоклавирование и др.

В отдельных случаях технологические процессы можно считать комплексными, которые проходят одновременно. Например, тепловые процессы часто одновременно сопровождаются массообменными и химическими.

Наиболее распространенным и энергоемким способом обработки сырья для изготовления строительных материалов – измельчение. Например, около 70-75% общего использования электроэнергии при получении 1 т цемента расходуется на измельчение материалов на разных стадиях технологического процесса (табл.2.6).

Таблица 2.5 Затраты электроэнергии на получение портландцемента

Название операции	Затраты эл.энергии,%
Добыча сырья Измельчение сырья Помол сырья Измельчение твердого топлива Обжиг клинкера Измельчение клинкера Сушка добавок Затраты во вспомогательных цехах Другие затраты Всего	3,5 10,5 15,5 12,0 7,5 34,0 5,0 7,0 5,0 100,0

Измельчение твердых материалов может осуществляться с целью ускорения их химического взаимодействия, например, при получении силикатных бетонов, получения однородных смесей и облегчения их последующей обработки.

Под степенью измельчения подразумевается отношение средних значений диаметров кусков исходного и конечного продуктов. В зависимости от этого значения различают грубое (3...20) и тонкое (500...1000) измельчение. В зависимости от физико-механических свойств материала, начальной крупности зерен и необходимой степени измельчения используют различные способы раздавливания, удара, резания, взрыва, истирания или их комбинации.

В производстве строительных материалов основным видом оборудования для измельчения являются дробилки: щековые, конусные, молотковые, валковые, бегуны. Для помола материалов применяют барабанные, молотковые, шаровые или другие виды мельниц.

Процессы измельчения твердых материалов значительно изменяются под влиянием физико-химического взаимодействия внешней среды, например, при уменьшении поверхностной энергии под влиянием поверхностно-активных веществ их измельчение ускоряется, т.к. адсорбация ПАВ значительно уменьшают прочность и твердость материалов. Клиновидные трещины, которые развиваются во время деформации твердых тел, с адсорбционными слоями ПАВ не соединяются, что способствует их развитию и, в конечном итоге, разрушению.

Из подготовленных компонентов составляются сырьевые смеси – шихты. Начальными процессами при изготовлении шихты являются дозирование по массе. Вода или другие жидкости могут дозироваться по массе и по объему. Аппараты для дозирования – дозаторы, которые могут быть непрерывными и периодическими, с автоматическим или ручным управлением.

Основная цель перемешивания – обеспечение равномерного распределения компонентов смесей и достижение необходимой однородности. Для смешивания порошкообразных материалов применяются барабанные, шнековые, ленточные и другие смесители, для приготовления растворных и бетонных смесей, эмульсий. паст – лопастные, пропеллерные, турбинные смесители, а также сопла, насосы или барботат.

Их хорошо приготовленной однородной смеси заданного состава формуются изделия, которые имеют определенную геометрическую форму и размеры, а также определенные свойства. Наиболее характерными способами формования являются прессование, пластическое формование, вибрирование, литьё, экструзия. Используются и другие способы – трамбование, центрифугирование, прокат. торкретирование и др.

Формование прессованием применяется в большинстве случаев при использовании малопластичных, сыпучих сырьевых смесей. За период прессования происходит принудительное перемещение и взаимное сближение твердых компонентов смеси, что приводит к наиболее компактному их размещению в определенном объеме и выдавливанию свободной воды и воздуха. Оптимальное давление прессования чаще всего бывает в пределах 5...15 МПа и зависит от влажности и зернового состава смеси. С повышением влажности уменьшается внутреннее трение частиц, однако это препятствует выходу воздуха и получения плотной структуры. Обычно влажность массы порошков для полусухого прессования составляет 6...12%. Лучшие условия прессования обеспечиваются при непрерывной гранулометрии и максимальном размере частиц до 3 мм.

Изделия из пластичных (например, глинистых) масс изготавливаются пластическим формованием на вакуумных прессах. Преимущество пластического формования состоит в возможности придания изделиям сложной формы при сравнительно низком давлении прессования. Обязательным условием пластического формования изделий является использование достаточно вязких масс, у которых сумма сил внутреннего сцепления (когезия) больше сил сцепления с рабочей поверхностью формующего оборудования (адгезия), а коэффициент внутреннего трения больше коэффициента внешнего.

Близким к пластическому формованию является способ экструзии – получение материалов и изделий из полимерных и некоторых других смесей выдавливанием через мундштук. Таким образом формуют различные пластмассовые профили, трубы, листы, пленки и т.п. Для выдавливания применяют, в основном, шнековые экструзионные машины.

Метод формования литьем основан на заполнении определенного объема сырьевой смесью и её уплотнении под действием сил тяжести частиц. Формование литьем выполняется из сырьевых смесей, которые имеют достаточную текучесть и дают стойкие водные суспензии. Метод литья применяют для производства гипсовых изделий, а также для получения ячеистых батонов, керамических санитарно-строительных изделий из шликеров. Можно готовить бетонные и ЖБИ из литых бетонных смесей, разжиженных суперпластификаторами, которые вводят в бетонную смесь на стадии перемешивания.

К распространенным способам формования относится метод вибрирования. Около 90% всех изделий из бетона и железобетона изготовляют с использование вибрации. Это объясняется тем, что в процессе вибрационного действия на бетонные смеси создаются условия для тиксотропного разжижения и наиболее компактного размещения частиц.

Виброуплотнение смесей осуществляется с помощью различных машин, среди которых различают глубинные, поверхностные, объемные вибраторы и виброплощадки.

Отформованные изделия в большинстве технологических процессов идут на тепловую обработку, цель которой – придать изделиям в результате физико-химических преобразований необходимых свойств. Основными разновидностями тепловой обработки является сушка, обжиг, плавление, тепловлажностная обработка (ТВО).

Сушкой называют процесс удаления воды из материала выпариванием с последующим удалением пара в окружающую среду. Процесс сушки возможен в том случае, когда давление водяных паров около поверхности высушиваемого материала выше, чем в окружающей среде. Давление водяных паров в материале возрастает с увеличением влажности и температуры сушки и уменьшается с усилением связи воды с материалом: физико-механической, физико-химической и химической. Во время сушки удается удалить физико-механическую и физико-химическую воду. Химически связанная вода удаляется только высокотемпературной обработкой или за счет действия химических реагентов.

Сушка материалов может проводится в обычных условиях, т.е. на открытом воздухе без дополнительного нагрева, но чаще – в специальных сушилках. Сушке подвергаются керамические материалы, древесина и др. По конструкции сушильные установки бывают барабанного типа, туннельные, конвейерные и др., периодического и непрерывного действия.

Обжигом в технологии строительных материалов называют высокотемпературную обработку сырья и полуфабрикатов, в результате которой в них происходят необратимые физико-химические процессы, что приводит к изменению фазового состава, структуры и свойств материалов. В зависимости от вида материалов во время обжига могут происходить процессы дегидрации (гипс, глинистые материалы), диссоциации (карбонаты), синтез силикатов, алюминатов, ферритов (цементный клинкер). Высокотемпературный обжиг материалов завершается спеканием и получением камнеподобной структуры тела. Температура обжига колеблется в широких пределах – от 180С для обжига гипса до 1450С для портландцементного клинкера. Типы печей бывают различными: вращающиеся, шахтные, кольцевые, туннельные, ванные, горшковые, вагранки и др.

Тепловая обработка, при которой в нагретом материале сохраняются влага, называют тепловлажностной. Такая обработка – основной метод ускорения твердения бетонных и железобетонных изделий, силикатных и других изделий на основе минеральных вяжущих гидратационного твердения при одновременном получении материалов необходимой структуры. В качестве теплоносителя применяют пар, электроэнергию, продукты сгорания природного газа и др.

В период охлаждения материалов происходит окончательная фиксация их структуры и состава. Охлаждение материалов может быть постепенным и быстрым. Для быстрого охлаждения применяют специальные холодильники, чтобы предотвратить образования в материале крупных кристаллов и сохранить в незакристаллизованом виде стекловидную фазу. Например, без быстрого охлаждения клинкера получится цемент с пониженной реакционной способностью по отношению к воде.

Далее готовые материалы поступают на склад готовой продукции. От определенной партии материалов отбирают пробы для определения свойств.

2.8. Оценка качества строительных материалов.

Основные требования к качеству материалов, изделий и готовых конструкций устанавливаются государственными строительными нормами Украины ДБН А1.1-1-93, разработанные управлением государственных нормативов и стандартов Украины и введенные в действие с 1.07.93. Нормами предусматриваются виды нормативных документов (НД), классификация НД и основные требования к их содержанию.

Виды НД Украины следующие:

– государственные стандарты – ДСТ;

– государственные строительные нормы – ДБН;

– ведомственные строительные нормы – ВБН;

– региональные строительные нормы – РБН;

– технические условия – ТУ.

В качестве НД Украины могут применятся документы бывших СССР и УССР до их замены или отмены, а также международные, региональные и национальные стандарты, нормы и правила других государств, включенные в “Перечень нормативных документов в области строительства, действующих на территории Украины”.

ДСТ устанавливают организационно-методические и общетехнические требования к промышленной продукции строительного назначения, они обеспечивают их разработку, производство (изготовление) и эксплуатацию (использование).

ДБН Украины разрабатываются на продукцию, процессы и услуги на стадии изыскания, проектирования, возведения, рекомендации объектов строительства.

ВБН разрабатываются при отсутствии ДБН или при необходимости установления требований, дополняющих требования ДБН.

РБН Украины включают региональные правила проектирования и производства строительных работ и материалов.

ТУ устанавливают требования к конкретным видам промышленной продукции строительного назначения, её изготовлению, установке, маркировке, приёмке, контролю и испытаниям, транспортированию и хранению.

К НД могут разрабатываться пособия, которые детализируют отдельные положения строительных норм, содержат примеры расчетов, текстовые, табличные и графические материалы, необходимые для реализации различных видов деятельности в области строительства.

Все нормативные документы классифицируются на классы, подклассы и комплексы. Схема классификации приведена на рис. 2.7.

К Л А С С Ы

А Б В Г

П О Д К Л А С С Ы

А.1 А.2 А.3 Б.1 Б.2 В.1 В.2 В.3 Г.1

К О М П Л Е К С Ы

А1.1 А2.1 А3.1 Б2.1 В1.1 В2.1 В2.5 В3.1

А1.2 А2.2 А3.2 Б2.2 В1.2 В2.2 В2.6 В3.2

А1.3 А2.3 А3.3 Б2.3 В1.3 В2.3 В2.7

А2.4 Б2.4 В2.4 В2.8

2.7. Схема классификации нормативных документов Украины в области строительства.

Классы предусматривают деление нормативных документов на организационно-методические нормы, правила и стандарты (класс А), градостроительство (класс Б), технические нормы, правила и стандарты (класс В) и рекомендуемые нормы, правила и стандарты, справочно-информационные материалы (класс Г). В каждом подклассе и комплексе даются подробное направление стандартизации и нормирование, например, строительные материалы входят в класс В, подкласс В.2 и комплекс В2.7. Сюда входят стеновые материалы, минеральные вяжущие вещества, бетоны и растворы и др. материалы. Направление стандартизации включает общие технические требования и технические условия на конкретные разновидности, типы, марки, методы контроля и испытаний.

3. Природные каменные материалы

3.1. Классификация природных каменных строительных материалов

Горной породой называют минеральную массу более или менее постоянного состава, состоящую из одного - мономинерального или нескольких - полиминеральных минералов.

Природными каменными материалами называют материалы, полученные из горных пород путем механической обработки без изменения их основных свойств (дроблением, рассевом, раскалыванием, распиловкой, теской и др.).

Горные породы - главный источник получения строительных материалов. Горные породы используют в промышленности строительных материалов как сырье для изготовления керамики, стекла, цемента, извести, гипса и др. В процессе производства этих минералов, состав, строение и свойства исходных горных пород изменяются.

По назначению природные каменные материалы делят на изделия для дорожного строительства, мостов, подземных и гидротехнических сооружений, архитектурно-строительные изделия и облицовочные плиты.

2. Главные породообразующие минералы. Структура и текстура горных пород

Минералами называют однородные по химическому составу и физическим свойствам составные части горной породы.

Главными породообразующими минералами являются кварц, полевые шпаты, слюды, карбонаты, сульфаты и железистомагнезиальные минералы. От минералогического состава горных пород в значительной степени зависят их строительные свойства. Одни минералы отличаются высокой прочностью, твердостью и химической прочностью, например кварц, другие имеют незначительную прочность, недостаточную химическую стойкость, способны значительно поглощать воду (гипс); отдельные минералы обладают способностью легко расщепляться по плоскостям (например, слюда), понижая этим прочность породы, в состав которой они входят (табл. 3.1.). Эти свойства, а также химический состав минералов предопределяют назначение образованных ими пород в строительстве. Большая часть минералов находится в твердом состоянии и обладает преимущественно кристаллической формой. Ниже рассмотрены основные породообразующие минералы горных пород (табл. 3.2.).

Класс силикатов. Этот класс наиболее многочисленный, включающий до 500 минералов. Общее количество силикатов в земной коре, по массе около 75% , в основном они входят в состав изверженных и метаморфических горных пород. Минералы этого класса, сходные по составу и строению, объединяют в следующие группы: полевые шпаты, железисто-магнезиальные силикаты, слюды, глинистые минералы.

Наибольшее распространение имеют полевые шпаты - алюмосиликаты калия (ортоклазы), натрия и кальция (плагиоклазы). Полевые шпаты могут иметь разнообразный цвет: белый, розовый, красный, желтый, черный с синим оттенком (лабрадор). Полевые шпаты входят в состав гранитов, сиенитов, гнейсов и многих других пород; являются ценным сырьевым материалом (плавнем) в стекольной, керамической промышленности.

К классу силикатов относится группа железисто-магнезиальные силикатов, или темноокрашенных минералов. Представителями этого класса являются пироксены (авгиты), амфиболы (роговые обманки, оливин). Все эти минералы обладают большой плотностью, прочностью и вязкостью, но под влиянием атмосферных воздействий легко разлагаются. Оливин, присоединяя воду, переходит в серпентин (змеевик), увеличиваясь в объеме. Одной из разновидностей серпентина является хризотил асбест - сырье для асбестоцементной промышленности.

Таблица 3.1. Характеристика основных породообразующих минералов

Наимено­вание минералов

Химический состав

Плотность, кг/м3

Твердость по шкале Мооса

Спайность

Сложение

Цвет

Блеск

Горные породы, в состав которых входит данный минерал

1

2

3

4

5

6

7

8

9

МИНЕРАЛЫ ИЗВЕРЖЕННЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

Кварц

SiO2

2650

7

отсутствует

плотное

бесцветный, фиолетовый

стеклянный

граниты, диориты

Ортоклаз

K2O·Аl2O3· 6SiO2

2600

6

совершенная

призматическое

белый розовый красный желтый

тусклый

граниты, пегматиты, кварцевые порфиры, липариты

Мусковит

калиевый алюмосиликат

2750-3100

2-3

весьма совершенная (в одной плоскости)

чешуйчатое

бесцветный, бурый

стеклянный

граниты, андезиты, сланцы и др.

Биотит

Магнезиаль-но-железис-тый силикат

3100

2 - 3

весьма совер-шенная (в од-ной плоскости)

чешуйчатое

черный, бурый

стеклянный

граниты, гнейсы, сланцы

Роговая обманка

железисто-магнезиальный алюмо-силикат

3100 - 3200

5,5 - 6

совершенная

игольчато-призматиче-ское

черный

стеклянный

диорит, андезит, габбро, диабазы

Продолжение табл. 3.1.

1	2	3	4	5		6		7	8		9
Авгит	известково - магнезально-железистый силикат	3200 - 3600	5 -6	совершенная		столбчатое или зернистое		черный, бурый, зеленый	стеклянный		диориты, базальты
Оливин	(Mg, Fe)2 SiO4	3000 - 3500	6,5 - 7	несовершенная		зернистое		оливково-зеленый	стеклянный		базальт, габбро, перидотит, диабаз
МИНЕРАЛЫ ОСАДОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД
Кальцит	СаСО3	2600 - 2800	3	совершенная		плотное		бесцветный, белый, серый, бурый	матовый		известняки, мраморы, мергели, известняковые песчаники и др.
Магнезит	MgCO3	2800	3,5 - 4	совершенная		призмати–ческое		белый, серый	металли-ческий		магнезиты, мраморы
Доломиты	СаСО3 MgCO3	2800-2900	3,5-4	совершенная		призматическое, пластинчатое, зернистое		белый, се­рый, бес­цветный	стеклян­ный		доломиты, мраморы, мергели
Ангидрит	CaSO4	2800-3000	2-3,5	совершенная	призмати–ческое		матовый, голубой, бе­лый, светло-серый			стеклян­ный	ангидрит

Окончание табл. 3.1.

Гипс

CaSО4·2Н2О

2300

2

совершенная

слоистое

белый, желтый

стеклян–ный

гипсовые породы

Каолинит

Al2O3·2SiO2·2H2O

2800

1

отсутствует

землистое

белый

жирный

глины, глинистые

Таблица 3.2.

Характеристика главнейших изверженных, осадочных и метаморфических горных пород.

Наименование горной породы	Минералоги-ческий состав	Объемная масса, кг/м3		Прочность МПа (кгс/см2)		Цвет		Структура		Рекомендуемые области применения в строительстве
1	2	3		4		5		6		7
ИЗВЕРЖЕННЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ
Граниты	кварц, полевой шпат, слюда	2600 - 2700		80 - 310 (800 - 3100)		красный, розовый, серый, серо-голубой		мелко-средне-кристалличе–ская		облицовочные плитки, камни для кладки сводов, устроев мостов и др. изделия для дорожного строительства (бортовые камни, бутовый камень, щебень)
Сиениты	полевой шпат, роговая обманка, авгит, слюда		2600 - 2700		120 - 180 (1200 - 1800)		серый, красный, красно-зеленый		равномерно-кристаллическа, порфировая	те же, что и у гранита

Продолжение табл. 3.2.

1

2

3

4

5

6

7

Андезиты

роговая обманка или пироксены, слюда и плагиоклаз

2200 - 2700

80 - 240 (800 - 2400)

от светло- до темно- серого

кристалли-ческая

изделия для специальных облицовок; в качестве заполнителей кислото-упорных бетонов

Базальты

плагиоклаз, авгит, оливин

2700 - 3200

300 - 500 (3000 - 5000)

серо-чер–ный, темно-зеленый

стекловато-открыто-крис–таллическая,

бутовый камень, щебень, брусчатка для мощения дорог, сырье для плавленных изделий

Пемза

аморфный кремнезем

400 - 1400

0,4 - 2,0 (4 - 20)

серый, светло-желтый

аморфная крупно-пористая

легкий заполнитель в бетонах, гидравлическая добавка цемента

ОСАДОЧНЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

Доломит

доломит, а так-же магнезит и др.

2800 - 2900

15 - 150 (150 - 1500)

белый, серый, черный, бурый

плотно-кристалли-ческая

сырье для огнеупоров, стекла, каустического доломита

Известняк

кальцит, а также кварц, доломит

1060 - 2500

5 - 200 (50 - 2000)

серый, бе-лый, желтый, коричневый, розовый, черный

плотная, кристаллическая, пористая, алитовая, ракушечниковая, туфовая, землистая

бутовый камень, стеновые изделия, щебень, облицовочные плиты, сырье для производства извести, цемента, стекла и др.

Мел

кальцит

1000 - 1700

0,4 - 5 (4 - 50)

белый, серый, желтый

мелко-кристал-лическая, полуземлистая

сырье для строительной извести, стекла, замазок, шпаклевок

Глина

каолинит

1400 - 1500

-

белый, желтый, красный, серый

-

сырье для керамических материалов

Песок

кварц

1300 - 1400

-

желтый

-

заполнители для бетона, сырье для стекла, силикатного кирпича

Слюды - алюмосиликатные минералы сложного химического состава, которые обладают совершенной спайностью. Наиболее распространена белая калиевая слюда (мусковит) и черная магнезиальная (биотит). Слюды входят в состав изверженных, осадочных и метаморфических пород. Наличие слюды обычно снижает строительные свойства горных пород, а в процессе выветривания расслоение слюд уменьшает механическую прочность, способствуя разрушению горных пород.

Глинистые минералы образовались на поверхности земли в процессе выветривания алюмосиликатных (полевошпатовых) минералов. К ним относятся каолинит, гидрослюда (иллит), монтомориллонит и др. Глинистые минералы входят в состав глин, суглинков, супесей, которые являются основным сырьем керамической промышленности.

Класс карбонатов включает минералы, представляющие собой соли угольной кислоты, в основном карбонаты кальция и магния, являющиеся породообразующими минералами осадочных пород (известняк, доломит) и метаморфических (мрамор) горных пород.

Кальцит или известковый шпат (СаСО₃), относится к числу распространенных минералов, имеет истинную плотность 2600…2800 кг/м³, твердость до 3, плохо растворим в воде, но растворяется с бурным вскипанием в 10%-ной соляной кислоте, бесцветный или белый.

Доломит СаМg (СО₃)₂ часто с желтоватым или буроватым оттенком минерал. Истинная плотность 2800 кг/м³, твердость до 4. Доломит слагает осадочную горную породу того же названия.

Магнезит (Мg СО₃) встречается в природе реже чем кальцит. Истинная плотность магнезита 3000 кг/м³, твердость до 4…4,5.

Классы оксидов и гидроксидов. Они включают около 200 минералов и составляют по массе до 17% земной коры. К ним относится один из самых распространенных минералов - кварц, а также опал, оксиды железа и др.

Кварц - [кристаллическая форма кремнезема (SiO₂)] входит во многие магматические горные породы. Содержание кварца в полиминеральных породах, например, граните, может доходить до 25% и более, а в осадочных (кварцевые пески) и метаморфических (кварцит) доходит до 100%. В природе он обычно встречается в виде -кварца с истинной плотностью 2650 кг/м³ и твердостью 7, имеет несовершенную спайность и раковистый излом со стеклянным или жирным блеском. Кварц является одним из наиболее прочных минералов ( _сж=200 МПа), при обычных условиях кварц химически инертен, поэтому устойчив против выветривания. При нагревании -кварц переходит в другие модификации с меньшей плотностью, что приводит к увеличению объема. Температура плавления кварца 1713С. В зависимости от примесей и условий образования кварц может быть прозрачным или матовым, бесцветным (горный хрусталь), фиолетовым (аметист), черным (морион), серым и др. Разновидностями кварца со скрытокристаллической структурой являются халцедон и кремень.

Аморфный кремнезем - опал (SiO₂nH₂O) имеет твердость 5…6,5, истинную плотность 1900…2500 кг/м³ и в отличие от кварца обладает большой реакционной способностью.

Лимонит или бурый железняк (2Fe₂O₃nH₂O), чаще встречается в виде примесей в осадочных породах, придавая им бурую или красно-бурую окраску. Эти примеси снижают атмосферостойкость пород.

Класс сульфидов. Минералы этого класса (соли сероводородной кислоты) незначительно распространены в земной коре (до 0,25%). Однако они имеют большое значение в народном хозяйстве при получении меди, цинка, свинца и др. Сульфиды в зоне выветривания легко разрушаются. Поэтому даже малая примесь сульфидов в горных породах резко снижает их качество. Типичным представителем класса сульфидов является пирит (FeS₂), или серый колчедан, обладающий латунно-желтым цветом и металлическим блеском. При выветривании на поверхности горной породы в результате разложения пирита и образования из него оксидов железа и серной кислоты образуются бурые пятна, которые быстро выкрашиваются.

Класс сульфатов. Он насчитывает более 260 минералов, из которых наиболее распространены гипс и ангидрит. Сульфаты входят в состав осадочных пород.

Гипс (CaSO₄2H₂O) - минерал белого цвета с плотностью 2300 кг/м³, твердостью 1,5…2, растворим в воде. При обезвоживании гипс переходит в ангидрит (CaSO₄) - породу более твердую и с большей истинной плотностью - (2800…3000 кг/м³). Цвет ангидрита серый, белый, розовый. Внешне он напоминает мрамор. При длительном контакте с водой ангидрит переходит в гипс, увеличиваясь при этом в объеме на 30 %. Почти всегда образует залежи совместно с гипсом. Гипс широко используется как сырье для вяжущих (строительный гипс и др.), как добавка, вводимая при помоле цементного клинкера для регулирования сроков схватывания цемента, а также в бумажной, химической промышленности, для производства красок, эмалей, глазури.

На физико-механические, технологические и декоративные свойства, кроме химического и минерального составов, влияет структура (строение) и текстура (сложение) горных пород.

СТРУКТУРА (СТРОЕНИЕ) ГОРНОЙ ПОРОДЫ

Структура определяется степенью кристаллизации и размерами зерен, а также формой и взаимными отношениями составных частей горной породы. Структура отражает условия образования горной породы. Различают такие виды структур: кристаллическую, пегматитовую, порфировую, стеклованную, зернистую. Породы одинакового минерального состава могут иметь разную структуру, а следовательно, различные свойства. Так, гранит и кварцевый порфир облают одинаковым минеральным составом, но разной структурой.

Однородная мелкозернистая структура (размер зерен мельче 3 мм) служит признаком более высокой прочности и стойкости горной породы против выветривания, хорошей обрабатываемостью по сравнению с крупнозернистыми (размер зерен 5…10 мм) и грубозернистыми (размер зерен больше 10 мм) разновидностями горных пород.

Стекловатая структура не имеет явных кристаллических образований. Породы со скрытокристаллической структурой отличаются большей прочностью и погодоустойчивостью. Хорошо выраженная макропорфировая структура придает породе красивый рисунок; породы с порфировой и порфировидной структурами по сравнению с равномерно кристаллическими разновидностями относительно менее стойки против выветривания.

ТЕКСТУРА (СЛОЖЕНИЕ) ГОРНОЙ ПОРОДЫ

Текстура характеризует относительное расположение и распределение породообразующих минералов, пор и микротрещин в породе. Текстура может быть плотная, полосчатая, сланцеватая, пористая, ячеистая.

Породы с плотной текстурой более прочны, устойчивы, теплопроводны, они лучше полируются, чем пористые разновидности. С увеличением пористости (ноздреватости) понижается прочность и стойкость горной породы против выветривания. Сланцеватые породы анизотропны, они сравнительно менее погодоустойчивы, а при ударах раскалываются по направлению сланцеватости.

В процессе формирования горных пород в результате неравномерного охлаждения массивы пронизываются трещинами, которые в процессе выветривания увеличиваются. В результате массивы разбиваются на отдельности определенной величины и формы. Различают пластовые, или плитняковые, кубовидные, столбчатые, шаровые отдельности. Трещиноватость массивов облегчает добычу и обработку пород, но в то же время ограничивает возможность их применения.