Вопросы для самопроверки

1. Приведите данные о достижениях науки в области развития производства строительных материалов.

2. Какова особенность индустриального строительства?

3. Общие требования к строительным материалам.

4. Классификация строительных материалов.

1. Общие технические свойства строительных материалов

От специалиста требуется умение правильно оценить и выбрать материал, наиболее технически целесообразный и экономически рен­табельный в данных условиях его эксплуатации. Для этого необходимо знать технические свойства строительных материалов.

Оценка технических свойств и сравнение материалов между собой возможны по показателям и параметрам, которые получаются при испытаниях материалов. Каждый строительный материал должен удовлетворять определённым техническим требованиям ГОСТа или ТУ. При изучении свойств строительных материалов необходимо обратить внимание на взаимосвязь между показателями технических свойств строительных материалов.

Плотностью называется масса единицы объёма материала. Чтобы вычислить плотность ρ (г/см³; кг/м³), надо знать массу материала т (г; кг) и его объем V (см³; м³):

ρ = m / V,

(1)

Истинной плотность ρ_и называют плотность того вещества, из которого состоит материал. При расчёте ρ_и объем материала вычисляют без пор и пустот. Истинная плотность – физическая константа вещества.

Средней плотность ρ_ср называют плотность материала, когда при её расчёте берётся его полный объем в естественном состоянии, включая поры и пустоты.

Насыпная плотность ρ_нас характеризует отношение массы зернистых и порошкообразных материалов ко всему занимаемому ими объёму, включая и пространства между частицами.

Пористость – степень заполнения объёма материала пора­ми. Исходя из определения, пористость П (%) можно рассчи­тать по следующей формуле:

П = [(Vест – Vтв) / Vест]× 100,

(2)

где V_ест – объем материала в естественном состоянии, см³; V_тв – объем материала в абсолютно плотном состоянии (объём твёрдого вещества в материале).

На практике пользуются другими формулами. Если естествен­ный объем материала V_ест и объем твёрдого вещества в нем V_тв выразить через массу материала m и среднюю ρ_ср и истинную ρ_и плотности V_ест = m/ρ_ср; V_тв = m/ρ_и, то формула для расчёта порис­тости (%) примет вид:

П = [(m/ρср – m/ρи / ( m/ρср)]× 100 = [(ρи – ρср) / ρи]× 100,	(3)
П = (1 – ρнас / ρи) × 100, П = (1 – ρср / ρи) × 100,	(4)

При расчётах значения ρ_и и ρ_ср необходимо выражать в одних единицах – г/см³ или кг/м³.

Влажность – содержание влаги в материале в данный кон­кретный момент, отнесённое к единице массы материала в су­хом состоянии. Влажность В_л (%) определяют по формуле:

Вл = [(m1 – m2) / m2]× 100,

(5)

где m₁ – масса материала в естественно-влажном состоянии, г; m₂ – масса материала, высушенного до постоянной массы, г.

Водопоглощение – способность материала поглощать неко­торое количество влаги и удерживать его в своих порах. Водопоглощение характеризуется максимальным количеством воды, по­глощаемым образцом материала при выдерживании его в воде в течение заданного времени, отнесённого к массе сухого образца (водопоглощение по массе W_m) или к его объёму (объёмное водопоглощение W_v). Водопоглощение W_m и W_v (%) определяют по следующим формулам:

Wm = [(m1 – m2) / m2]× 100,	(6)
Wv = VH2O / Vест,= [(m1 – m2) / ρH2O ] × (ρср / m2) = Wm (ρср / ρH2O),	(7)

где m₁ – масса материала в насыщенном водой состоянии, г; m₂ – масса сухого материала, г; V_ест – объем материала в сухом состоянии, см³; ρ_H2O – плотность воды, равная 1 г/см³.

Морозостойкость – способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без видимых признаков разрушения. Испытание строительных материалов на морозостойкость заключается в цикличном попеременном замораживании и оттаивании в насыщенном водой состоянии и определении потери материалом массы и прочности.

Морозостойкость материала количественно оценивается маркой, за которую принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, выдержанных образцом.

Материал считают выдержавшим испытание, если в результате опыта потери массы и прочности образцов не превышают величин, установленных стандартами на эти материалы.

Коэффициент морозостойкости – это отношение прочности образца материала или горной породы в водонасыщенном состоянии после испытания на многократное замораживание и оттаивание (на морозостойкость) к прочности образца до испытания. Материалы, имеющие коэффициент морозостойкости более 0,75 относят к морозостойким.

Теплопроводность – способность строительного материала передавать сквозь свою толщу тепловой поток, образующийся вследствие разности температур на поверхностях, ограничивающих этот материал. Теплопроводность численно характеризуется величиной коэффициента теплопроводности, Вт/(м × ºС), который равен количеству тепла в Дж, проходящему через стенку материала толщиной в 1 м и площадью в 1 м² за 1 ч (3600 с) при разности температур на противоположных поверхностях стенки в 1 ºС:

,

(8)

где Q – количество тепла, прошедшее через стенку, выполненную из испытываемого материала, Дж; L – толщина стены из испытываемого материала (толщина образца), м; S – площадь сечения, через которое передаётся тепло, м²; z – время прохождения теплового потока, с; Δt – разность температур на противоположных сторонах проводника тепла, ºС.

Теплопроводность можно определить расчётным методом. Так, теплопроводность стекла может быть достаточно точно рассчитана по обычной аддитивной формуле:

λ = ∑λi∙Pi = λ1∙P1 + λ2∙P2 + … + λn∙Pn ,

(9)

где P₁, P₂ … P_n – содержание в стекле каждого из оксидов (% по массе),

λ₁, λ₂ … λ_n – удельные коэффициенты теплопроводности соответствующих оксидов в стекле.

От величины теплопроводности материала зависит термосопротивление, (м² × ºС)/Вт, тепловому потоку стенки из этого материала:

,

(10)

где δ – толщина стенки, через которую проходит тепло, м; λ – коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м × ºС).

Низкое значение теплопроводности является положительной характеристикой для стеновых и теплоизоляционных строительных материалов, так как позволяет повысить величину термосопротивления конструкций без увеличения их толщины.

Огнестойкость – способность материала выдерживать без разрушений одновременное действие высоких температур. Пределом огнестойкости конструкции называется время в часах от начала огневого испытания до появления одного из следующих признаков: сквозных трещин, обрушения, повышения температуры на необогреваемой поверхности. По огнестойкости строительные материалы делятся на три группы: несгораемые, трудносгораемые, сгораемые.

Огнеупорность – способность материала противостоять длительному воздействию высоких температур, не деформируясь и не расплавляясь. По степени огнеупорности материалы подразделяются на огнеупорные, которые выдерживают действие температур от 1580 ºС и выше; тугоплавкие, которые выдерживают температуру 1360…1580 ºC; легкоплавкие, выдерживающие температуру ниже 1350 ºС.

Прочностью называют способность материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами.

Прочность оценивают пределом прочности, который условно равен максимальному напряжению, соответствующему нагрузке, вызвавшей разрушение материала. Предел прочности определяют при данном виде деформации (сжатии, растяжении, изгибе).

Предел прочности при сжатии и растяжении R_сж (МПа; кг∙с/см²), вычисляется как отношение нагрузки, разрушающей материал Р (Н, кг), к площади поперечного сечения F (см²):

,

(11)

Предел прочности при изгибе R_изг отдельного образца вычисляют по формуле:

– при одной сосредоточенной нагрузке, приложенной посередине пролёта:

,

(12)

– при двух сосредоточенных нагрузках, расположенных симметрично оси пролёта:

,

(13)

где Р – наибольшая нагрузка, установленная при испытании образца, Н (кг∙с); l – расстояние между осями опор, м (см); b – ширина образца, м (см); h – высота образца посередине пролёта, м (см).

В зависимости от прочности строительные материалы разделяются на марки. В нормативных документах марка указывается в кг∙с/см², например, марки портландцемента М300, М400, М500, М550, М600. Единая шкала марок охватывает все строительные материалы.

Важной характеристикой материалов является коэффициент конструктивного качества (к.к.к.). Это условная величина, которая равна отношению предела прочности R материала к его объёмному весу γ₀ (средней плотности) и характеризует прочностную эффективность:

,

(14)

Твёрдость – способность материала оказывать сопротивление проникновению в него более твёрдого материала.

Истираемость – способность материалов разрушаться под действием истирающих усилий. Истираемость И (г/см²) можно рассчи­тать по формуле:

,

(15)

где m₁ – масса образца до истирания, г; m₂ – масса образца после истирания, г; F – площадь истирания, см².

Коэффициент размягчения характеризует водостойкость материала, то есть его способность сохранять прочность при увлажнении. Этот коэффициент может изменяться от нуля (полностью размокающие материалы, например, необожжённые глиняные материалы) до величины, близкой к единице (сталь, стекло, гранит). Водостойкими считаются материалы, коэффициент размягчения которых ≥0,8. Такие материалы применяют в местах с повышенной влажностью, без специальных мер по защите их от увлажнения.

Коэффициент размягчения К_р вычисляют по формуле:

Кр = Rнас / Rсух,,

(16)

где R_нас – предел прочности при сжатии водонасыщенного материала, Н/м²; R_сух – предел прочности при сжатии сухого материала, Н/м².