Учебники / Основин. Строительные материалы и изделия. Учебное пособие

одностороннее гидростатическое давление, при котором стандартный образец не пропускает воду. Для гидроизоляционных материалов водонепроницаемость характеризуется временем, по истечении которого начинается просачивание воды под определенным давлением через образец материала.

Паропроницаемость – способность материала пропускать через свою толщу водяной пар. Она характеризуется коэффициентом паропроницаемости μ, г/(м ч Па), который равен объ-

ему водяного пара (V, м3), проходящего через материал толщи-

ной δ = 1 м, площадью S = 1 м3 за время τ = 1 ч при разности парциальных давлений р1 – р2 = 133,3 Па:

μ =

V δ

S ( p1 − p2 ) τ .

Стены и покрытия в помещениях с повышенной влажностью следует защищать от проникания водяного пара.

Морозостойкость – способность материала в водонасыщенном состоянии не разрушаться при многократном попеременном замораживании и оттаивании.

Разрушение происходит из-за того, что объем воды при переходе в лед увеличивается на 9%. Давление льда на стенки пор вызывает растягивающие усилия в материале.

Морозостойкость материала зависит от его плотности и степени заполнения пор водой.

При воздействии статических или циклических тепловых факторов материал характеризуется теплофизическими свойствами. Они важны для теплоизоляционных и жаростойких материалов, для материалов ограждающих конструкций и изделий, твердеющих при тепловой обработке. К этим свойствам относятся теплопроводность, теплоемкость, огнестойкость, огнеупорность и др.

Теплопроводность – способность материала проводить теплоту. Теплопередача происходит в результате перепада температур между поверхностями, ограничивающими материал. Теплопроводность зависит от коэффициента теплопроводности λ, Вт/(м °С), который равен количеству теплоты (Q, Дж),

проходящей через материал толщиной δ = 1 м, площадью S = 1 м2 за время t = 1 ч при разности температур между поверхностями t2 – t1 = 1 °С:

20

λ =

Qδ

S (t2 − t1 ) .

Теплопроводность материала зависит от его средней плотности, химического состава, структуры, характера пор, влажности.

Наиболее существенное влияние на теплопроводность материала оказывает его средняя плотность. При известной средней плотности можно, пользуясь приведенной ниже формулой, вычислить ориентировочный коэффициент теплопроводности материала в воздушно-сухом состоянии:

λ = 1,163 0,0196 + 0, 22ρср2 – 0,14.

Теплопроводность материала значительно возрастает при его увлажнении. Это объясняется тем, что коэффициент теплопроводности воды составляет 0,58 Вт/(м °С), а воздуха – 0,023 Вт/(м °С).

В табл. 2.1 в качестве примера приведены данные о ячеистых бетонах, показывающие зависимость коэффициента теплопроводности от их средней плотности и влажности.

Теплоемкость – способность материала поглощать теплоту при нагревании. Она характеризуется удельной теплоемкостью с, Дж/(кг °С), которая равна количеству теплоты (Q, Дж), затраченной на нагревание материала массой m = 1 кг, чтобы повысить его температуру на t2 – t1 = 1°C:

с =

Q

m(t2 − t1) .

Удельная теплоемкость каменных материалов составляет 755…925 Дж / (кг °С), лесных – 2420…2750 Дж/(кг °С). Наибольшую теплоемкость имеет вода (4900 Дж/(кг °С)).

21

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

Огнестойкость – способность материала не разрушаться под воздействием высоких температур, пламени и воды в условиях пожара.

По огнестойкости материалы подразделяются на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Несгораемые материалы (каменные материалы, металлы) не горят, не тлеют и не обугливаются. Трудносгораемые материалы (например, древесина, пропитанная антипиренами) обугливаются, тлеют или с трудом воспламеняются. При удалении источника огня или высокой температуры эти процессы прекращаются. Сгораемые материалы горят или тлеют. При удалении источника огня или высокой температуры горение и тление продолжаются. К сгораемым относят все незащищенные органические материалы.

Огнеупорность – способность материала выдерживать длительное воздействие высоких температур, не размягчаясь и не деформируясь. По степени огнеупорности материалы подразделяются на огнеупорные, тугоплавкие и легкоплавкие. Огнеупорные выдерживает температуру 1580 °С и выше, тугоплавкие – 1350…1580, легкоплавкие – менее 1350 °С.

Радиационная стойкость – способность материала сохранять свои структуру и свойства при воздействии ионизирующих излучений. Под влиянием излучений в материале могут произойти глубокие изменения – переход от кристаллического состояния в аморфное.

Защитные свойства материала определяются его способностью задерживать гамма- и нейтронное излучения. Они оцениваются по толщине слоя материала, который ослабляет ионизирующее излучение в два раза. Толщина слоя половинного ослабления излучений Т1/2 для бетона составляет 0,1 м, для свинца – 0,18 м.

Для защиты от гамма-излучения применяются материалы повышенной плотности (особо тяжелые бетоны, свинец, грунт), от нейтронного излучения – вода и материалы, содержащие связанную воду (лимонитовая руда, бетоны с добавками бора, кадмия, лития).

При воздействии звука на материал проявляются его акустические свойства. По назначению акустические материалы

22

делят на четыре группы: звукопоглощающие, звукоизолирующие, виброизолирующие и вибропоглощающие.

Звукопоглощающие материалы предназначены для поглощения падающего на их поверхность шумового звука. Основной акустической характеристикой звукопоглощающих материалов является значение коэффициента звукопоглощения, равное отношению количества поглощенной материалом звуковой энергии к общему количеству падающей энергии на материал в единицу времени. Звукопоглощающими материалами называют те, у которых коэффициент звукопоглощения больше 0,2.

Звукоизолирующие материалы применяют для ослабления ударного звука, передающегося через строительные конструкции здания из одного помещения в другое. Оценку эффективности звукоизоляционных материалов проводят по двум основным показателям: динамическому модулю упругости и относительной сжимаемости (в процентах) под нагрузкой.

Виброизолирующие и вибропоглощающие материалы предназначены для устранения передачи вибрации машин и механизмов на строительные конструкции зданий.

2.4. Механические свойства

Механические свойства материалов имеют решающее значение для строительных конструкций, работающих под нагрузкой. Внешние нагрузки вызывают разрушение либо деформацию материалов. Сопротивление материалов механическому разрушению характеризуется их п р о ч н о с т н ы м и с в о й с т в а м и: прочностью, твердостью, истираемостью, сопротивлением удару, износом.

Прочность – способность материала сопротивляться разрушению и деформациям от внутренних напряжений, возникающих в результате воздействия внешних сил или других факторов (неравномерная осадка, нагревание и т.п.). Она оценивается пределом прочности – напряжением, которое возникает в материале под нагрузкой, вызывающей его разрушение.

Различают пределы прочности материалов при сжатии, растяжении, изгибе, срезе и т.д. Они определяются путем испытания стандартных образцов на испытательных машинах. Предел прочности при сжатии и растяжении (Rсж (р), МПа) вычис-

23

ляется как отношение нагрузки, разрушающей материал (Рсж (р), Н), к площади поперечного сечения (S, м2):

Rсж (р) = Рсж (р) / S.

Предел прочности при изгибе (Rизг, МПа) вычисляют как отношение изгибающего момента (М, Н м) к моменту сопротивления образца (W, м3):

Rизг = М / W.

Каменные материалы хорошо работают на сжатие и значительно хуже (в 5–50 раз) на растяжение и изгиб. Другие материалы (металл, древесина, многие пластмассы) хорошо работают как на сжатие, так и на растяжение и изгиб.

Твердость – способность материала оказывать сопротивление прониканию в него более твердого материала. Для различных материалов она определяется по разным методикам. Так, при испытании природных каменных материалов пользуются шкалой Мооса, составленной из 10 расположенных в ряд минералов с условным показателем твердости от 1 до 10, когда более твердый материал, имеющий более высокий порядковый номер, царапает предыдущий. Минералы расположены в следующем порядке: тальк или мел, гипс или каменная соль, кальцит или ангидрит, плавиковый шпат, апатит, полевой шпат, кварцит, топаз, корунд, алмаз.

Истираемость – способность материала разрушаться под

воздействием истирающих усилий. Истираемость (И, кг/м2) вычисляется как отношение потери образцом массы m1 – m2 (кг) под

воздействием истирающих усилий к площади истирания (S, м2): И = (m1 – m2) / S.

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

Сопротивление удару (ударная вязкость) – свойство, характеризующее сопротивление материала разрушению или деформированию при ударе. Хрупкие материалы плохо сопротивляются удару. Сопротивление удару важно для материалов дорожных покрытий, а также конструкций, подвергаемых при эксплуатации динамическим (ударным) нагрузкам.

24

Износ – способность материала сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов. Износ материала зависит от его структуры, состава, твердости, прочности, истираемости. Определяют износ на пробах материалов, которые испытывают во вращающемся барабане со стальными шарами или без них. Чем больше потеря массы пробы испытуемого материала (в процентах к первоначальной массе пробы), тем меньше его сопротивление изнашиванию. Износ важен для материалов полов, ступеней лестниц, дорог, лакокрасочных покрытий.

Способность материалов изменять под нагрузкой форму и размеры характеризуется деформационными свойствами: упругостью, пластичностью и хрупкостью.

Упругость – способность материала изменять под воздействием нагрузок форму и размеры и восстанавливать их после прекращения действия нагрузок. Она оценивается пределом упругости (σу, МПа), который равен отношению наибольшей нагрузки (Ру, Н), не вызывающей остаточных деформаций материала, к площади первоначального поперечного сечения (S0 , м2):

σу = Ру / S0.

Пластичность – способность материала изменять под воздействием нагрузок форму и размеры и сохранять их после снятия нагрузок. Пластичность характеризуется относительным удлинением или сужением. Примерами пластичных материалов служат глиняное тесто, бетонные и растворные смеси, подмазочная паста, свинец, некоторые пластмассы. Пластичные материалы легко формируются, хорошо расстилаются по поверхности. Свойство материала пластически деформироваться при постоянной нагрузке, несколько превышающей предел упругости, называют текучестью. Непрерывное возрастание деформаций под воздействием постоянной нагрузки называют ползучестью. Она характерна почти для всех строительных материалов.

Хрупкость – способность материала внезапно разрушаться под воздействием нагрузки без предварительного заметного изменения формы и размеров. Хрупкому материалу в отличие от пластичного нельзя придать при прессовании желаемую форму, поскольку такой материал под нагрузкой дробится на части, рассыпается. Хрупки камни, стекло, чугун и т.д.

25

2.5. Химические свойства

Для правильной и полной оценки материалов при изготовлении, выборе и эксплуатации в конструкциях необходимо знать и учитывать их химические и физико-химические свойства.

Химические свойства материала выражают степень его активности к химическому взаимодействию с реагентами и способность сохранять постоянными состав и структуру в условиях инертной окружающей среды. Некоторые материалы склонны к самопроизвольным внутренним химическим изменениям в обычной среде. Ряд материалов проявляет активность при взаимодействии с кислотами, водой, щелочами, растворами, агрессивными газами и т.д. Химические превращения происходят также при производстве и эксплуатации материалов.

Химическая стойкость – способность материала противостоять разрушающему воздействию химических реагентов – кислот, щелочей, растворенных в воде солей и газов. Она зависит от состава и структуры материала. Так, мрамор, известняки, цементный камень в строительных растворах и бетонах, в химическом составе которых преобладает оксид кальция СаО, легко разрушаются кислотами, но стойки к действию щелочей. Силикатные материалы, содержащие в основном диоксид кремния SiO2, стойки к кислотам, но взаимодействуют при повышенной и нормальной температуре со щелочами.

Изменение структуры материала под влиянием внешней агрессивной среды называют коррозией.

Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться коррозионному воздействию среды. Распространенной и благоприятной средой для развития химической коррозии является вода (пресная и морская). Агрессивность воды зависит от степени ее минерализации, жесткости, щелочности или кислотности. Химически агрессивной средой является также воздух, содержащий пары′ оксидов азота, хлора, сероводорода и т.д.

Металлы и сплавы подвергаются коррозии под воздействием сред, не проводящих электрический ток, например некоторых газов при высокой температуре нефтепродуктов, содержащих органические кислоты. Такую коррозию металлов называют химической. Металлы, в том числе стальная арматура железобетонных конструкций, чаще корродируют в средах, проводящих электрический ток, – водных растворах солей,

26

кислот, щелочей. В этом случае возникает электрохимическая коррозия.

Особым видом коррозии является биокоррозия – разрушение материалов под воздействием живых организмов – грибов, насекомых, растений, бактерий и микроорганизмов.

Растворимость – способность материала растворяться в воде, масле, бензине, скипидаре и других жидкостях (растворителях). Растворимость может быть и положительным, и отрицательным свойством. Например, если в процессе эксплуатации синтетический облицовочный материал разрушается под воздействием растворителя, то растворимость материалов играет отрицательную роль. При приготовлении холодных битумных мастик используется способность битумов растворяться в бензине. Это позволяет наносить материал на поверхность тонким слоем, поэтому в данном случае растворимость является положительным свойством.

Кислото- и щелочестойкость неорганических материалов оценивается модулем основности (в процентах):

М = (СаО + MgO + Na2O + К2О) / (SiO2 + А12О3).

Материалы с повышенным содержанием кремнезема и глинозема при малом модуле основности более стойки в кислых средах. При высоком модуле основности материалы с преобладанием основных оксидов более щелочестойки. Высокую кислотостойкость имеют керамические материалы – плитка, трубы, кирпич. Цементные бетоны, материалы из карбонатных горных пород активно разрушаются кислотами.

Адгезия – способность одного материала прилипать к поверхности другого. Она характеризуется прочностью сцепления материалов и зависит от их природы, состояния поверхности. Это свойство имеет важное значение при изготовлении композиционных материалов, бетонов, клееных конструкций.

2.6. Технологические свойства

Технологические свойства материала – это его способность к восприятию определенных технологических операций с целью изменения формы, размеров, характера поверхностей, плотности. Они позволяют перерабатывать сырье и получать доброкачественную продукцию из исходных материалов при

27

принятой технологии производства с использованием соответствующего оборудования.

Одним из основных технологических свойств растворной смеси является удобоукладываемость, т.е. способность легко укладываться тонким и плотным слоем на пористое основание и не расслаиваться при транспортировке, перекачивании насосами и хранении. В свою очередь, удобоукладываемость зависит от подвижности (растекаемости) и водоудерживающей способности растворной смеси.

Для оценки технологических свойств используют реологические характеристики: вязкость, предельное напряжение сдвига, тиксотропию.

Вязкость – внутреннее трение жидкости, препятствующее перемещению одного ее слоя относительно другого. Вязкость характеризуется коэффициентом динамической вязкости η и измеряется в паскаль-секундах (Па·с).

Предельное напряжение сдвига – величина внутренних напряжений, при которой материал начинает необратимо деформироваться (течь), т.е. превращается в вязкую жидкость. Этот показатель для строительных смесей называют также структурной прочностью.

Многие пластично-вязкие смеси при повторяющихся (динамических) воздействиях могут терять структурную вязкость, временно превращаясь в вязкую жидкость. Это свойство, называемое тиксотропией, характерно для бетонных и растворных смесей, красок, мастик. Физическая основа тиксотропии – разрушение структурных связей внутри пластичновязкого материала. После прекращения механического воздействия материал вновь обретает структурную прочность.

28

МАТЕРИАЛЫ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ

3.1. Строение дерева и древесины

Богатый лесосырьевой потенциал нашей республики (леса занимают примерно 36% территории) обеспечивает динамическое развитие деревообрабатывающей промышленности.

Дерево состоит из корней, ствола и кроны. Корни служат для всасывания воды и растворенных в ней питательных веществ. Они же удерживают дерево в вертикальном положении. Ствол проводит питательные вещества от корней к листьям и от листьев к корням. Крона состоит из ветвей и листьев или хвои. В листьях образуются органические вещества.

Главное промышленное значение имеет ствол, который дает от 50 до 90% древесины. Сердцевинная трубка расположена в центре ствола. Она имеет небольшую прочность и подвержена загниванию.

Древесина (ксилема) – совокупность проводящих, механических и запасающих тканей, расположенных в стволах древесных растений между корой и сердцевиной. Древесина окружена корой, которая служит для защиты дерева от неблагоприятных влияний погодно-климатических факторов и механических повреждений. Луб – тонкая внутренняя часть коры, служащая для перемещения органических веществ, вырабатываемых листьями (нисходящий ток). Камбий располагается непосредственно за лубом в виде тонкого слоя живых клеток и активно размножается путем их деления. Он образует механическую ткань, состоящую из толстостенных сплюснутых клеток, которые и составляют главную часть древесины. Образовавшиеся в течение вегетативного периода слои древесины (около 1 см) называются годичными слоями или кольцами. По числу годичных слоев можно ориентировочно судить о возрасте дерева. Ядро образуется в результате отмирания клеток и заполнения их дубильными и другими веществами. К периферии от ствола расположена древесина, называемая заболонью, со-

29