2. Методические рекомендации по выполнению контрольной работы №1

Контрольная работа номер 1 включает в себя задачи и теоретические вопросы по следующим разделам:

1. Основные свойства строительных материалов.

2. Природные каменные материалы.

3. Неорганические вяжущие вещества.

Выполнение контрольной работы предполагает проработку разделов курса, относящихся к данной контрольной работе. Необходимо определить раздел курса выполняемой работы. уяснить основные понятия и определения, вывод расчетных формул и закономерностей и использовать их при решении задач. Необходимо ознакомиться с решением типовых задач и материалами лекционного обзорного курса. После этого приступить к выполнению контрольной работы.

2.1. Основные свойства строительных материалов

2.1.1. Общие сведения

В процессе эксплуатации строительные конструкции воспринимают те или иные нагрузки и подвергаются действию окружающей среды. Нагрузки вызывают деформации и внутренние напряжения в материале, поэтому для проектирования зданий и сооружений необходимо знание точных характеристик прочностных и деформационных свойств применяемых материалов . Кроме прочности строительные материалы должны обладать стойкостью, то есть способностью сопротивляться физическим и химическим воздействиям среды : воздуха и содержащихся в нем паров и газов, воды и растворенных в ней веществ, изменениям температуры и влажности , многократному замораживанию и оттаиванию и т.д.

Исходя из условий работы материала в сооружении, строительные материалы можно разделить по назначению на две группы:

1. Материалы конструкционные , пригодные для несущих конструкций : природные каменные материалы; искусственные каменные материалы: получаемые обжигом минерального сырья (керамика, стекло, ситаллы, металлы) и получаемые без обжига на основе вяжущих веществ (бетоны, строительные растворы); конструкционные пластмассы; лесные материалы и др.

2. Материалы специального назначения, необходимые для защиты конструкций от вредного влияния среды , а также для повышения эксплуатационных свойств зданий и создания комфорта в помещениях : теплоизоляционные материалы, акустические, гидроизоляционные, кровельные и герметизирующие; отделочные, антикоррозионные и т.д.

5

Все свойства материалов условно делятся на : физические ( включающие параметры состояния, структурные свойства, гидро- и теплофизические свойства), механические ( деформационные и прочностные характеристики) и химические.

2.1.2. Физические свойства

Основным параметром состояния материала является его плотность.

Истинная плотность  кг/м³ - масса единицы объема абсолютно плотного материала.

 = m / V_a, (1)

где m - масса материала,

V_a - объем материала в абсолютно плотном состоянии.

Большинство строительных материалов являются пористыми и их объем в естественном состоянии складывается из объема твердого вещества V_a и объема пор V_п , заполненных воздухом или водой :

V_е = V_a + V_{п .} (2)

Средняя плотность _о кг/м³ - масса единицы объема материала в его естественном состоянии, т.е. с учетом пор и пустот.

_о = m / V_е, (3)

где m - масса материала,

V_е - объем материала в естественном состоянии.

Средняя плотность материала всегда меньше истинной плотности.

Относительная плотность d выражает отношение плотности материала к плотности воды ( безразмерная величина).

d = _о / _в. (4)

Насыпная плотность _н кг/м³ - масса единицы объема рыхло насыпанного зернистого или волокнистого материала ( цемента, песка, гравия, щебня, асбеста ).

Строение пористого материала характеризуется общей, открытой и закрытой пористостью, распределением пор по их радиусам, средним радиусом пор и удельной внутренней поверхностью пор.

Основной структурной характеристикой строительных материалов является его пористость.

Пористость П - это степень заполнения объема материала порами:

П= V_п / V_е . (5)

Пористость обычно выражают в долях от объема материала, принимаемого за единицу или в процентах.

Пористость материала часто определяется экспериментально-расчетным методом с использованием , найденных опытным путем значений средней и истинной плотности ( _{о и}  ):

П=(1 - _о/) 100. (6)

6

Пористость строительных материалов колеблется в широких пределах : от 0

до 98 %.

Коэффициент плотности К_п - это степень заполнения объема материала твердым веществом:

К_п = _о/. (7)

В сумме К_п+П=1 ( или 100 %).

Строительные материалы в процессе их эксплуатации и хранения могут поглощать влагу. При увлажнении материала повышается его теплопроводность и средняя плотность, обычно снижается прочность, изменяются и другие эксплуатационные показатели. Гидрофизические свойства материала определяют характер его взаимодействие с водой при различных условиях.

Гигроскопичностью называют свойство капиллярно -пористого материала поглощать водяной пар из влажного воздуха. Поглощение влаги из воздуха обусловлено полимолекулярной адсорбцией водяного пара на внутренней поверхности пор и капиллярной конденсацией. Такой физико-химический процесс называется сорбцией и является обратимым. Древесина , теплоизоляционные, стеновые и другие пористые материалы обладают развитой внутренней поверхностью пор и поэтому высокой сорбционной способностью.

Содержание влаги в материале в данный момент отнесенное к единице массы материала в сухом состоянии называется влажностью материала:

W=(m₁-m₂)/m₂100, (8)

где W - влажность материала, %;

m₁ - масса материала в естественно влажном состоянии;

m₂ - масса материала, высушенного до постоянной массы .

Пористые органические и неорганические материалы ( древесина, бетон и др.) при изменении влажности изменяют свой объем и размеры. Такие изменения называются влажностными деформациями. Уменьшение размеров материала при высыхании называют усадкой (усушкой), а увеличение - набуханием (разбуханием).

Капиллярное всасывание воды пористым материалом наблюдается, когда часть конструкции находится в воде. Так , грунтовые воды могут подниматься по капиллярам и увлажнять нижнюю часть стены здания. Капиллярное всасывание характеризуется высотой поднятия жидкости по капиллярам, количеством поглощенной воды и интенсивностью всасывания.

Высоту поднятия жидкости по капиллярам h (м) определяют по формуле Жюрена:

h= 2cos/(gr), (9)

где  - поверхностное натяжение жидкости, Н/м;

 - краевой угол смачивания, градус ;

7

r - радиус капилляра, м ;

 - плотность жидкости , кг/м³;

g - ускорение свободного падения ( 9,8 м/с²).

Водопоглощение - это способность материала поглощать и удерживать в своих порах воду. Водопоглощение определяется при погружении образцов материала в воду и характеризует , в основном, открытую пористость, так как вода не проникает в закрытые поры.

Водопоглощение определяют по объему и по массе.

Водопоглощение по массе W_m - это количество поглощенной воды по отношению к массе материала в сухом состоянии m_сух (%).

W_m=[( mвл - m_сух) / m_сух]100, (10)

где mвл - масса образца материала насыщенного водой.

Водопоглощение по объему W_о - показывает степень заполнения объема материала водой (%).

W_о =[Vв / V_е]100=[(m_вл - m_сух) / (V_е_в) ]100. (11)

Водопоглощение используют для оценки структуры материала. Для этой цели рассчитывается коэффициент насыщения пор К_н, равный отношению водопоглощения по объему W_о к его пористости П:

К_н= W_о/ П. (12)

Коэффициент насышения может меняться от 0 ( все поры замкнуты) до 1 ( все поры открытые) и является косвенной характеристикой морозостойкости материала. Если К_н 0,6 - материал является морозостойким, если К_н 0,6 - материал неморозостоек.

Морозостойкость - свойство насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание в водонасыщенном состоянии. Морозостойкость количественно оценивается маркой ( или классом ) по морозостойкости. За марку материала по морозостойкости принимают наибольшее количество циклов попеременного замораживания и оттаивания в водонасыщенном состоянии , которое выдерживают образцы материала до снижения прочности на сжатие на 15 % ( или до снижения массы на 5 %). От морозостойкости зависит долговечность строительных материалов в конструкциях , подвергающихся действию атмосферных факторов и воды.

Коэффициент размягчения К_р - характеризует изменение прочностных характеристик материала при его водонасыщении и определяется по формуле :

К_р=R_вл/R_сух, (13)

где R_вл - прочность материала в водонасыщенном состоянии;

R_сух - прочность материала в сухом состоянии.

₈

Коэффициент размягчения изменяется от 0 ( размокающие глины и т.п.) до 1 ( металлы). Материал является водостойким и может без ограничений применяться для изготовления строительных конструкций , если его К_р 0,8.

Водопроницаемость - это свойство материала пропускать воду под давлением. Водопроницаемость характеризует коэффициент фильтрации К_ф.

К_ф =V_ва/ S  (p₁-p₂), (14)

где V_в - объем воды, проходящий через стенку площадью S и толщиной а за время  при разности гидростатического давления на границах стенки p₁-p₂

( м вод.ст). К_ф измеряется в единицах скорости м/ч или см/сек.

Водонепроницаемость материала характеризуется маркой (классом) по водонепроницаемости , обозначающей односторннее гидростатическое давление, при котором образец не пропускает воду в условиях стандартного испытания. Между коэффициентом фильтрации и маркой по водонепроницаемости существует определенное соотношение : чем ниже К_ф тем выше марка по водонепроницаемости.

Влага и различные вещества могут переноситься через конструкции в виде паров (газа) . Для характеристики этого процесса используется коэффициент паропроницаемости ( газопроницаемости) К_г:

К_г=V_г_га / S  (p₁-p₂), (15)

где V_г - объем газа (приведенный к нормальным условиям) плотностью _г , прошедший через стенку площадью S и толщиной а за время  при разности давлений паров ( газа) на гранях стенки p₁-p₂ ( Па).

Теплофизические свойства материалов являются главными как для большой группы теплоизоляционных материалов, так и для материалов , применяемых для устройства наружных стен и покрытия зданий.

Теплопроводностью называют свойство материала передавать тепло от одной поверхности к другой. Теплопроводность материала обычно характеризуют коэффициентом теплопроводности .

Коэффициент теплопроводности можно найти по следующей формуле:

= Q l / S ( t₂- t₁) , (16)

где  - коэффициент теплопроводности;

Q - количество энергии затраченное на нагревание образца;

l - толщина образца;

S - площадь образца;

9

t_2,t₁ - температуры на поверхностях образца;

 - продолжительность испытаний.

Теплоемкость определяется количеством тепла , которое необходимо сообщить материалу массой 1 кг, чтобы повысить его температуру на 1 ^оС.

Огнеупорность - свойство материала выдерживать длительное воздействие высоких температур , не размягчаясь и не деформируясь. Огнеупорные материалы имеют температуру плавления выше 1580 ^оС, тугоплавкие - более 1350 ^оС.

Огнестойкость - свойство материала сопротивляться действию огня при пожаре в течение определенного времени. Она зависит от сгораемости материала, т.е. способности воспламеняться и гореть.