Министерство образования и науки РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

А.А. Суслов, А.М. Усачев, А.С. Деревщикова

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Курс лекций

Рекомендовано редакционно-издательским советом Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальностям

270109 «Теплогазоснабжение и вентиляция» и 270112 «Водоснабжение и водоотведение»

Воронеж 2011

1

УДК 620.22 (07) ББК 30.3я7 С904

Суслов, А.А.

Материаловедение: курс лекций / А.А. Суслов, С904 А.М. Усачев, А.С. Деревщикова; Воронеж. гос. арх.-строит.

ун-т. – Воронеж, 2011. – 134 с.

Содержит информацию о составе, структуре и свойствах основных строительных материалов и изделий.

Предназначен для студентов, обучающихся по специальностям 270109 «Теплогазоснабжение и вентиляция» и 270112 «Водоснабжение и водоотведение».

Ил. 11. Табл. 11. Библиогр.: 4 назв.

УДК 620.22 (07) ББК 30.3я7

Рецензенты: кафедра строительных материалов и специальных технологий Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин), Н.А. Артемьева, к. т. н., доц. кафедры строительных материалов и

изделий Института градостроительства, управления и региональной экономики Сибирского федерального университета

2

ВВЕДЕНИЕ

Курс лекций «Материаловедение» предназначен для студентов, обучающихся по специальностям 270109 «Теплогазоснабжение и вентиляция» и 270112 «Водоснабжение и водоотведение».

Курс лекций составлен в соответствии с рабочей программой дисциплины «Материаловедение» и соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования и учебному плану.

Дисциплина «Материаловедение» («Строительное материаловедение») раскрывает взаимосвязь параметров технологии, состава и структуры материалов с их строительно-техническими свойствами, базируясь на фундаментальных закономерностях общематематических и естественнонаучных дисциплин.

Курс лекций состоит из 13 разделов, в каждом из которых рассматриваются наиболее сложные для восприятия и понимания вопросы курса. В целях более углубленного освоения материала в конце каждого раздела предлагается перечень вопросов для самостоятельного изучения, а также перечень рекомендуемой основной и дополнительнойлитературы.

Для закрепления изученного материала (как отраженного в конспекте лекций, так и вынесенного для самостоятельное изучение) и проверки полученных знаний в каждом разделе предлагаются варианты тестовых заданий.

Интенсивное развитие энергетического строительства требует укрепления материальной базы, развития производства строительных материалов, изделий и конструкций, необходимых для возведения производственных объектов и инженерных сооружений, строительства жилья и объектов культурного и социального назначения.

Важнейшими задачами, стоящими перед строителями на современном этапе, являются: индустриализация строительства на базе повышения заводской готовности изделий и конструкций; снижение материалоемкости строительства; внедрение энерго- и ресурсосберегающих технологий; широкое использование вторичного сырья и промышленных отходов, а также улучшение структуры и свойств применяемых строительных материалов и изделий, совершенствование их технологии.

Большой вклад в развитие науки строительного материаловедения внесли ученые Воронежского государственного архитектурно-строительного университета (ВГАСУ), среди которых необходимо выделить работы по классическим бетонам (проф. В.В. Помазков, проф. В.Т. Перцев), по технологии силикатного ячеистого бетона (проф. А.А. Федин, академик Е.М. Чернышов, проф. Е.И. Шмитько), по строительным композитам (проф. А.М. Иванов, проф. А.М. Болдырев, проф. Ю.Б. Потапов, проф. Ю.М. Борисов, проф. А.С. Орлов), по технологии асфальтовых растворов и бетонов (проф. С.И. Самодуров, проф. В.П. Подольский, проф. Г.А. Расстегаева).

3

ГЛАВА 1

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Общие сведения о строительных материалах

Строительные материалы – разнообразные по составу и назначению материалы, изделия и конструкции, применяемые для различных видов строительных работ.

Материалами являются глина, мел, цемент и др. Изделие – это то, что изготавливается из вещества. Конструкция – это часть сооружения и здания.

Промышленность строительных материалов насчитывает 14 подотраслей; более 22 тыс. предприятий, в которой заняты свыше 2,8 млн человек.

Строительные материалы классифицируются по следующим признакам:

1)по назначению (конструкционные, отделочные, гидроизоляционные, теплоизоляционные, акустические, специального назначения и др.);

2)по виду (порошкообразные, штучные, рулонные и т.д.);

3)по виду используемого сырья (неорганические, органические, смешанные); Для удобства использования материалов и правильного их выбора луч-

шей является классификация по назначению.

1.2. Строительно-технические свойства материалов

Свойства материала определяются непосредственно через воздействие на него другого материала, явления, температуры и т.д. Все свойства, какими обладает материал, называются общими. Однако в процессе строительных работ в первую очередь необходимо знать те свойства, которые определяют долговечность конструкций, ее характеристики с точки зрения качества строительства. Такие свойства называются строительно-техническими (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Строительно-технические свойства строительных материалов

4

1.3. Физические свойства

Физические свойства строительных материалов характеризуют параметры состояния, особенности их структуры, а также определяют отношение этих материалов к различным физическим процессам.

1.3.1. Параметры состояния

К параметрам физического состояния относят массу, геометрические размеры, объем, истинную, среднюю и насыпную плотности.

Истинная плотность ρ – масса единицы объема материала, взятого в абсолютно плотном состоянии, то есть без пор и пустот.

Истинную плотность материала, кг/м3 (г/см3), определяют по формуле

где m – масса твердой фазы, кг (г);

Vабс – объем в абсолютно плотном состоянии, м3 (см3).

Истинная плотность неорганических материалов – 2,2…2,8 г/см3, органических – 0,9…1,8 г/см3, металлов – 7,8…8,5 г/см3.

Средняя плотность ρm – масса единицы объема материала в естественном состоянии, то есть с порами и пустотами.

Среднюю плотность материала, кг/м3 (г/см3), определяют по формуле

где m – масса образца, кг (г);

Vест – объем образца в естественном состоянии, м3 (см3).

Так как большинство строительных материалов содержит в своем объеме поры и пустоты, то средняя плотность пористых материалов всегда меньше их истинной плотности. Лишь у плотных материалов (стали, стекла и др.) средняя и истинная плотности практически равны.

Средняя плотность строительных материалов колеблется в очень широких пределах: от 15 кг/м3 (пористые пластмассы) до 7850 кг/м3 (сталь). Среднюю плотность можно изменять путем искусственного создания пористости.

Насыпная плотность ρн – масса единицы объема рыхлонасыпанных зернистых (порошкообразных) или волокнистых материалов (песка, щебня, гравия, цемента, минеральной ваты и т.п.).

Насыпную плотность материалов, кг/м3 (г/см3), определяют по формуле

5

где m – масса материала в рыхлонасыпном состоянии, кг (г); Vн – объем, занимаемый этой массой, м3 (см3);

Vт.ф. – объем, занимаемый твердой фазой материала, м3 (см3);

Vпор – объем пор в зернах или волокнах материала, м3 (см3); Vпуст – объем межзерновых или межволокнистых пустот, м3 (см3).

Насыпная плотность цемента – 0,9…1,3 г/см3; песка – 1,4…1,6 г/см³; гравия (щебня) – 1,6…1,8 г/см³, минеральной ваты – 0,07...0,15 г/см³.

Для одного и того же материала существует зависимость ρ ≥ ρm > ρн.

1.3.2. Структурные характеристики

Строение материала характеризуется пористостью, а для рыхлосыпучих материалов еще и межзерновой пустотностью.

Пористость общая Побщ –содержание в материале пор и пустот. Величину общей пористости определяют по формуле

Пористость строительных материалов колеблется в широких пределах: от 0 (стекло, сталь) до 98 (пенопласты, минеральная вата) %.

Общая пористость складывается из открытой и закрытой пористости. Открытая пористость Потк представлена порами, выходящими на по-

верхность материала. Открытые образуются при формировании структуры материала в результате испарения из него воды или выхода газов.

Эти поры заполняются водой при погружении материала в воду, поэтому судить о количестве открытых пор можно по величине водопоглощения:

где BV – водопоглощение по объему, %.

Открытые поры, как правило, ухудшают свойства строительных материалов вследствие увеличения проницаемости, водопоглощения, снижения морозостойкости и долговечности, но улучшают, например, акустические свойства.

Закрытая пористость Пз образована изолированными порами, которые не имеют сообщения с внешней средой и при контакте с водой не заполняются ею. Они образуются в результате введения газообразующих или пенообразующих добавок в материале.

6

Закрытую (замкнутую) пористость определяют по формуле

От величины пористости, размера и формы пор, равномерности распределения их в материале зависят важнейшие его свойства: средняя плотность, прочность, водопоглощение, теплопроводность, морозостойкость и др.

Межзерновая пустотность Пмз (Vпуст) показывает содержание в рыхлозернистом или рыхловолокнистом материале пустот между зернами или волокнами.

Для рыхлозернистых и порошкообразных, а также волокнистых материалов межзерновую (межволокнистую) пустотность (%) определяют по формуле

где ρн – насыпная плотность материала, кг/м3 (г/см3);

ρm – средняя плотность зерен (волокон) материала, кг/м3 (г/см3).

1.3.3. Гидрофизические свойства

Гидрофизические свойства определяют отношение материала к статическому или циклическому воздействию воды (пара).

Влажность W – процентное содержание влаги в порах материала при естественных условиях его эксплуатации. Различают влажности абсолютную и относительную, определяемые по формулам

где mвл – масса образца во влажном состоянии, г; mсух – масса сухого образца, г.

Влажность оказывает отрицательное влияние на прочность, долговечность материалов, их теплоизоляционные, электрические и др. свойства.

Гигроскопичность – способность материала поглощать пары влаги из окружающего воздуха. Механизм проявления этого свойства следюущий: влага из окружающей среды адсорбируется (оседает) на поверхности материала, а затем проникает вглубь материала по капиллярам в результате капиллярного всасывания. Гигроскопичность зависит как от свойств материала (величины и

7

характера пористости), так и от условий внешней среды (температуры и относительной влажности). Материалы, которые хорошо впитывают и удерживают влагу, называют гидрофильными. Материалы, отталкивающие влагу, называют

гидрофобными.

Капиллярное насыщение (всасывание) – процесс поднятия влаги по капиллярам изделия или конструкции, когда они частично находятся в воде. В результате этого процесса грунтовые воды могут подниматься по капиллярам и увлажнять нижнюю часть стены здания. Величина капиллярного насыщения зависит от характера пористости, радиуса пор, плотности жидкости, смачиваемости.

Водопоглощение – способность материала впитывать и удерживать воду при непосредственном погружении в нее.

Различают водопоглощение материала по массе Вm и объему BV, которые в % вычисляют по формулам

где mвл – масса влажного образца, г; mсух. – масса высушенного образца, г; V – объем образца, см3;

ρводы – плотность воды, равная 1 г/см3.

Водопоглощение по массе Вm высокопористых материалов может быть больше 100 %, а по объему ВV – никогда не может превышать 100 %, так как

ВV ≈ Потк.

Водопоглощение отрицательно влияет на основные свойства материалов: увеличивает среднюю плотность и теплопроводность, снижает прочность и морозостойкость.

Водостойкость – способность материала сохранять прочность при увлажнении. Характеризуется коэффициентом размягчения Кр, который опреде-

где Rвл – предел прочности при сжатии влажного образца, МПа;

Rсух – предел прочности при сжатии сухого образца, МПа.

Этот коэффициент изменяется от 0 (необожженные глинистые материалы) до 1 (сталь, гранит, стекло). К водостойким относятся строительные материалы, коэффициент размягчения которых больше 0,8. Эти материалы разреша-

8

ется применять в конструкциях, находящихся в воде без специальных мер по защите от увлажнения.

Водопроницаемость – способность материала пропускать воду под давлением. Характеристикой водопроницаемости служит коэффициент фильтрации Кф, который определяет количество воды, прошедшей в течение 1 секунды через площадь 1 м2 при толщине 1 м и разности гидростатического давления 1 мм водяного столба:

где Vв – объем воды, м3;

δ – толщина конструкций, м;

S – площадь, м2;.

р1 – р2 – разность давлений, Н/м2; τ – время, ч.

Водопроницаемость зависит от средней плотности, пористости и строения материала. Водопроницаемость не допускают при строительстве гидротехнических сооружений, резервуаров, коллекторов, стен подвалов.

Газо- и паропроницаемость – способность материала пропускать через свою толщу водяной пар или газы (воздух). Характеризуются коэффициентами газо- и паропроницаемости, которые показывают, какое количество пара (газа) в литрах проходит через слой материала толщиной 1 м площадью 1 м2 в течение 1ч, при разности давления 133,3 Па.

Этот показатель важен для материалов, используемых в качестве стеновых конструкций для жилых и общественных зданий, поскольку через наружные стены должна проходить естественная вентиляция.

Влажностные деформации – изменение объема и размеров материала при изменении влажности. Влажностные деформации характеризуются усадкой и набуханием.

Усадка – уменьшение размеров и объема пористых строительных материалов при удалении влаги. Величина усадки для древесины 30…100 мм/м, ячеистого бетона – до 3 мм/м, тяжелого бетона – 0,3…0,7 мм/м, керамического кирпича – менее 0,1 мм/м, гранита – менее 0,05 мм/м.

Набухание – увеличение размеров строительных материалов в результате поглощения ими воды.

Эти показатели зависят от природы материала, его строения (аморфное или кристаллическое), величины и характера пористости.

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

Разрушение материала при таких циклических изменениях температуры связано, главным образом. с появлением в нем напряжений, вызванных увели-

9

чением объема воды при переходе в лед (примерно на 9 %).

Морозостойкость материала количественно оценивается циклами – 4 часа замораживания при температуре –18…–20 0С и 4 часа оттаивания при + 18…+ 20 0С, количество которых соответствует марки по морозостойкости

(F10, 15, 25, 35, 50, 75, 100, 150, 200, 500).

Легкие бетоны, силикатные и керамические кирпичи и камни для наружных стен зданий обычно имеют марку по морозостойкости F15, 25, 35, 50. Бетон, применяемый для строительства дорог и мостов, должен иметь марку F50, 100, 200; гидротехнический бетон – F500.

1.3.4. Теплофизические свойства

Теплофизические свойства определяют отношение материала к постоянному или переменному тепловому воздействию.

Теплопроводность – способность материала передавать теплоту от одной поверхности к другой при градиенте температур. Теплопроводность численно характеризуется коэффициентом теплопроводностиλ , который определяется по формуле

где Q – количество теплоты, Дж; δ – толщина материала, м; S – площадь поверхности, м²;

t1 – t2 – разность температур, 0С; τ – время, с;

Теплопроводность материала зависит от его химического состава, структуры, характера пористости, влажности, температуры и др.

Коэффициент теплопроводности учитывается при производстве теплоизоляционных материалов, при расчете толщины конструкции зданий и сооружений, при расчете приборов и оборудований, работающих при высокой или низкой температуре.

Зная величину теплопроводности, можно определить толщину стены ограждающей конструкции по формуле

где δ – минимально допустимая толщина стены, м;

Rтр – требуемое термическое сопротивление наружных стен (для климатических условий г. Воронежа должно быть не менее 2,89 (м2·0С)/Вт).

Показатели теплопроводности наиболее распространенных строительных материалов приведены в табл. 1.2.

10

Таблица 1.2 Показатели истинной, средней плотности, пористости и теплопроводности

некоторых строительных материалов

Теплоемкость – способность материала поглощать теплоту при нагревании и выделять при остывании. Величина теплоемкости определяется по формуле

где Q – количество теплоты, Дж; m – масса материала, кг;

t1 –t2 – разность температур, 0С.

Теплоемкость стали 0,48 кДж/(кг·0С), неорганических строительных материалов (бетонов, кирпича, природных каменных материалов) изменяется в пределах от 0,75 до 0,92 кДж/(кг·0С). Теплоемкость сухих органических материалов (древесины) около 2,39…2,72 кДж/(кг·0С). Вода имеет наибольшее значение теплоемкости – 4,19 кДж/(кг·0С). Поэтому в отопительных системах зданий и сооружений воду используют в качестве теплоносителя.

Огнестойкость – способность материала сопротивляться действию огня при пожаре в течение определенного времени.

По степени огнестойкости строительные материалы делятся на:

-несгораемые материалы, не подверженные воспламенению, тлению (бетоны, керамический кирпич, сталь);

-трудносгораемые, способные воспламеняться и тлеть, но только в присутствии огня (фибролит, асфальтовый бетон, некоторые пенопласты);

-сгораемые, способные воспламеняться и гореть даже после удаления

огня (древесина, битум, смолы);

11

- трудновоспламеняющиеся (для полимерных материалов). Огнеупорность – способность материала выдерживать длительное воз-

действие высокой температуры, не деформируясь и не расплавляясь. По огнеупорности строительные материалы делятся на группы:

-высшей огнеупорности, выдерживающие температуру более 2000 0С;

-огнеупорные, 1580…2000 0С;

-тугоплавкие, 1350…1580 0С;

-легкоплавкие, выдерживающие температуру ниже 1350 0С. Огнеупорные материалы применяют для внутренней футеровки промыш-

ленных печей, сталеплавильных ковшей и др.

1.4. Механические свойства

Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться разрушению или деформирующему действию внешних сил.

Все механические свойства делятся на деформационные и прочностные.

1.4.1. Деформационные свойства

Деформация – внешние проявления внутренних напряжений, вызванных действием внешних сил, выраженное в изменении формы и размеров образцов.

По виду деформации бывают упругие и пластические.

Деформационное состояние материала характеризуется деформационными свойствами: упругостью, пластичностью, хрупкостью, текучестью, ползучестью, вязкостью и релаксацией.

Упругость – свойство материала самопроизвольно восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешней силы. Одной из основных величин, характеризующих это свойство, является модуль упругости (модуль Юнга), определяемый по формуле

где σ – напряжение, МПа; ε – относительные деформации.

Изменения напряжений в материале при упругих деформациях представлены на рис. 1.1.

12

σ

ε

Рис. 1.1. Зависимость напряжения от деформации при упругости

Пластичность – свойство материала изменять форму и размеры под действием внешних сил без образования трещин разрывов и сохранять эту форму после снятия нагрузки (металлы, глиняное тесто, разогретый битум).

Пластическая деформация характеризуется нелинейным соотношением между напряжением и деформацией (рис. 1.2).

σ

ε

Рис. 1.2. Зависимость напряжения от деформации при пластичности

Хрупкость (рис. 1.3) – свойство материала разрушаться под воздействием нагрузок практически без заметных деформаций и полном отсутствии пластических деформаций (стекло, керамика).

σ

ε

Рис. 1.3. Зависимость напряжения от деформации при хрупкости

Текучесть (рис. 1.4) – свойство материала деформироваться при постоянной нагрузке без увеличения внутренних напряжений.

13

σ

ε

Рис. 1.4. Зависимость напряжения от деформации при текучести

Ползучесть – свойство материала медленно деформироваться при очень небольших нагрузках, которые не вызывают пластических деформаций (изделия на основе гипса).

Вязкость – свойство жидкостей и газов сопротивляться перемещению одной части относительно другой. Это мера внутреннего трения жидкостей и газов. Величиной, характеризующей вязкость, является коэффициент вязкости

μ (Па·с).

Релаксация (рис. 1.5) – свойство материала самопроизвольно снимать внутреннее напряжение при неизменной деформации (пластмассы).

σ

ε

Рис. 1.5. Зависимость напряжения от деформации при релаксации

Снятие напряжения в этом случае происходит за счет изменения структуры кристаллической решётки.

1.4.2. Прочностные свойства

Прочность – способность материала сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим в результате действия внешних сил. Прочность является одной из основных характеристик для большинства строительных материалов, так как они в сооружениях всегда подвергаются воздействиям, вызывающим напряжения (сжатие, растяжение, изгиб, срез, удар и др.).

Прочность зависит от многих факторов: размеров, формы, характера поверхности образцов материала, скорости приложения нагрузки, влажности образцов и др.

Для оценки прочностных свойств пользуются понятием предела прочности, который определяется при максимальной (разрушающей) нагрузке. Значе-

14

ние разрушающей нагрузки определяют на прессах или разрывных машинах. По величине предела прочности устанавливается марка строительных материалов по прочности.

Предел прочности при сжатии определяют путем сдавливания образцов на гидравлических или механических прессах. При испытании используются образцы правильной геометрической формы (кубики, цилиндры и т. д.).

Предел прочности при сжатии (кгс/см2, МПа) рассчитывается по формуле

где Р – разрушающая нагрузка, кгс (Н);

А– площадь образца, на которую действует нагрузка, см2 (м2).

При расчетах следует учитывать, что 1 кгс/см2 = 0,1 МПа, а Н/м2 = Па.

Предел прочности при сжатии материала является определяющим показателем для конструкций, воспринимающих сжимающие нагрузки: колонн, опор, фундаментов, стен и др.

Предел прочности при изгибе характеризует способность материала сопротивляться разрушению от действия изгибающей нагрузки. Величину предела прочности при изгибе определяют на прессах или используя испытательную машину МИИ-100.

Испытанию на изгиб подвергаются образцы в виде стандартных балочек размером 4×4×16 см (для вяжущих веществ, растворов) или 2×2×30 см (для древесины, пластмасс), а также целые кирпичи 250×120×65 и 250×120×88 мм.

Величина предела прочности при изгибе определяется по формулам: - при одноточечной нагрузке (рис. 1.6)

Рис. 1.6. Схемы испытаний на изгиб при одноточечной нагрузке:

а– балочка из цементного раствора, гипсового теста;

б– керамический и силикатный кирпич

15

- при двухточечной нагрузке (рис. 1.7)

где Р – разрушающая нагрузка, кгс;

l – расстояние между опорами, см; b – ширина балочки (кирпича), см; h – высота балочки (кирпича), см.

Рис. 1.7. Схемы испытаний на изгиб при двухточечной нагрузке

Предел прочности при изгибе является определяющим показателем для материала балок, ферм, плит покрытий, перекрытий и др.

Динамическая или ударная прочность (ударная вязкость) – способ-

ность материала сопротивляться разрушению при ударных нагрузках. Испытания проводят на специальных приборах – копрах.

Оценивается динамическая прочность работой, затрачиваемой на разрушение единицы объема образца. Величину динамической прочности Ауд (Дж/м3) определяют по формуле

где Р – сила удара, Н (Р = m·g, где m – масса сбрасываемого груза, кг; g – ускорение свободного падения, м/с2);

(1 + 2 + 3 +…+ n) – сумма высот сбрасывания груза, м;

n – высота сбрасывания груза, при котором произошло разрушение образца, м.

Vобр – объем образца, м3.

За ударную прочность Rуд принимают величину

где n –1 – высота сбрасывания груза,предшествующая разрушению образца, м.

16

На ударную вязкость испытывают материалы, которые в процессе монтажа или эксплуатации подвергаются динамическим ударным воздействиям (сваи, дорожно-строительные материалы, фундаменты под оборудование, полы промышленных зданий и др.).

Твердость – свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Для определения твердости материалов в зависимости от их вида и назначения существует ряд методов. Твердость хрупких при-

родных или искусственных каменных материалов (бетона, раствора, керамиче-

ских и силикатных кирпичей) оценивают с помощью шкалы Мооса, которая состоит из десяти эталонных минералов с условным показателем твердости от 1

до 10.

Показатель твердости испытуемого материала определяется по разности между условной твердостью того минерала, который оставляет черту на испытуемом образце, и предыдущим, более мягким минералом, не оставляющим черты на образце.

Для пластичных материалов (дерева, пластмасс, металла) определяют вдавливанием в испытуемый образец стандартного стального или алмазного конуса. За характеристику твердости принимают отношение нагрузки к площади отпечатка.

Твердость материала влияет на легкость его обработки, назначение, долговечность и ряд других свойств.

Истираемость – свойство материала сопротивляться истирающим воздействиям. Истираемость И, г/см2, определяют по потере массы образца после его испытания на круге истирания по формуле

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

S – площадь истираемой грани образца, см2.

Испытанию на истираемость подвергают материалы, применяемые для устройства дорог, полов, лестничных ступеней, каменных тротуаров и т.п.

Износ – свойство материала сопротивляться одновременному воздействию истирания и удара. Износ Из определяют по потере массы материала при его испытании в полочном барабане, куда вместе с материалом загружают определенное количество металлических шаров.

Этому испытанию подвергают сыпучие материалы (щебень).

17

1.5. Химические свойства

Химические свойства характеризуют способность материала сопротивляться действию щелочей, кислот или растворам их солей.

Отношение материала к действию этих агрессивных веществ оценивается модулем основности Мо:

М= CaO + MgO + Na2O(K2O) ,

оSiO2 + Al2O3

где CaO…Al2O3 – содержание в материале соответствующих оксидов, %.

При модуле основности М0 < 1, когда в неорганическом материале преобладает оксид кремнезема, наблюдается высокая стойкость к кислотам (например, гранит и другие магматические горные породы). Когда модуль основности М0 > 1, то есть в составе неорганического материала преобладают преимущественно основные оксиды, то этот материал нестоек к действию кислот, но в щелочных средах устойчив (бетоны и растворы на неорганических вяжущих).

При М0 = 1 материал устойчив как в кислых, так и в щелочных средах (стекло, керамика).

1.6.Специальные свойства

1.6.1.Радиационная стойкость

Радиационная стойкость характеризует способность материала сохранять свою структуру при воздействии ионизирующих лучей. При действии радиации повышается хрупкость стали, происходит аморфизация структуры природных каменных материалов, у бетонов и других строительных материалов снижается прочность в результате структурных изменений

Сравнительной оценкой материалов по этому свойству является толщина конструкции, способствующая половинному ослаблению интенсивности излучения.

Для защиты от радиации наиболее пригодны свинец(Pb) и бариты(BaSO4).

1.6.2. Акустические свойства

Акустические свойства отражают способность материала противостоять звуковым колебаниям.

Скорость распространения звуковых волн зависит от упругих свойств, температуры и плотности среды, в которой они распространяются. Например,

18

скорость распространения звуковых волн в спокойном воздухе при температуре 20 0С равна 343 м/с, в стали – 5000 м/с, в бетоне – 4000 м/с.

На человеческий организм шум воздействует отрицательно: снижает остроту слуха, рассеивает внимание, мешает разговорной речи, а при повышении интенсивности и длительном воздействии шума изменяется кровяное давление, ухудшаются координация движений, зрение, возникают изменения в сердечнососудистой и нервной системах.

Поэтому борьба с шумом, снижение его интенсивности до нормативных значений в производственных, общественных, жилых помещениях на территории городов и отдельных предприятий является весьма актуальной задачей.

Одним из наиболее действенных мероприятий является применение акустических (звукопоглощающих и звукоизоляционных) материалов и рационально изготовленных из них конструкций.

Более подробно об акустических материалах изложено в главе 12.

1.7. Технологические свойства

Технологические свойства отражают способность материала воспринимать некоторые технологические операции, направленные на изменение его состояния, структуры, формы и размеров.

Это выражается в виде следующих свойств: дробимости, растеливаемости, шлифуемости, гвоздимости, удобоукладываемости бетонной смеси, укрывистости лакокрасочных покрытий, размалываемости и др.

Вопросы для самостоятельного изучения

1.Что понимается под составом строительных материалов?

2.Дайте характеристики химического, минералогического и фазового состава строительных материалов.

3.Что такое структура материалов? Каковы особенности кристаллической и аморфной структур?

4.Что понимается под микро- и макроструктурой материалов?

5.Назовите методы оценки состава и структуры строительных материалов.

6.Перечислите обобщающие эксплуатационные свойства строительных материалов и изделий. Дайте характеристику этим свойствам.

19

Библиографический список рекомендуемой литературы

Основная литература

1.Горбунов, Г.И. Основы строительногоматериаловедения (состав, химические связи, структура и свойства строительных материалов): учеб.пособие/ Г.И. Горбунов.– М.: Изд-во АСВ, 2002.– 168 с.

2.Попов, К.Н. Оценка качества строительных материалов: учеб. пособие / К.Н. Попов, М.Б. Каддо, О.В.Кульков. – М.: Изд-во АСВ, 1999.– 341с.

3.Микульский, В.Г. Строительные материалы (материаловедение и технология): учеб. пособие / В.Г. Микульский, Г.И. Горчаков, В.В. Козлов и др. – М.: ИАСВ, 2002. – 536 с.

4.Рыбьев, И.А. Строительное материаловедение: учеб. пособие для вузов / И.А. Рыбьев. – М.: Высшая школа, 2003. – 701 с.

Дополнительная литература

1.Дворкин, Л.И. Строительные материалы для энергетических сооружений: учебник / Л.И. Дворкин. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 280 с.

2.Изучение структуры и свойств строительных материалов: метод. указания к выполнению лаб. работ по дисциплинам «Материаловедение» и «Технология конструкционных материалов» для студ. всех специальностей направления 270100 / Воронеж. гос. арх.-строит. ун-т; сост.: В.В. Власов, С.В. Черкасов, А.И. Макеев, Л.Н Адоньева,. – Воронеж,

2006. – 28 с.

Варианты тестовых заданий

20

21

22

23

ГЛАВА 2

ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ 2.1. Общие сведения

Источником природных каменных материалов является земная кора. Горные породы – это природные новообразования более или менее од-

нородного состава и строения, образующие в земной коре самостоятельные геологические тела. Они слагают поверхностный слой земной коры толщиной от 3 до 70 км.

Горная порода состоит из породообразующих материалов. Минералом называется природное тело, обладающее определенным составом и физикомеханическими свойствами.

Горные породы представляют собой сочетание одного или нескольких минералов и могут быть мономинеральными (гипс CaSO4·2H2O, известняк CaCO3 и др.) или полиминеральными (магнезит CaCO3·MgCO3, гранит, сиенит и др.).

Природные каменныематериалы широко используется в строительстве:

1)без обработки (песок, гравий, бутовый камень);

2)подвергаясь механической обработке: дроблению, распиловке, обтеске, шлифовке и т.д. (щебень, плиточный материал, камни, архитектурнодекоративные изделия);

3)в качестве сырья для получения минеральных вяжущих веществ (гипс, цемент, известь, магнезиальные вяжущиеи др.);

4)для производства искусственных каменных материалов (керамический кирпич, стекло, изделия из бетонов и растворов).

2.2. Генетическая классификация горных пород

По условиям образования горные породы делят на три группы: магматические, осадочные и метаморфические (табл. 2.1).

Магматические (изверженные) горные породы образовались из расплавленной магмы, поднявшейся из глубины земли и отвердевшей при остывании. Различные условия, в которых происходило остывание и затвердевание магмы, привели к образованию изверженных пород с различным строением и свойствами: глубинные (кристаллические плотные) и излившиеся (со стекловидной структурой и пористые).

Глубинные (интрузивные) породы образовались на большой глубине в земной коре под значительным давлением верхних слоев в результате медленного и равномерного остывания магмы. Эти условия достаточно благоприятны для процессов кристаллизации, для создания зернисто-кристаллического строения. Эти горные породы отличаются высокой плотностью, прочностью, малым водопоглощением, высокой морозостойкостью, стойкостью против выветривания. Все это предопределяет высокие строительно-технические свойства этих пород и изготовленных из них материалов.

24

Излившиеся (эффузивные) породы образовались в результате быстрого и неравномерного охлаждения магмы на поверхности земли. Эти породы подразделяют на массивные и обломочные (рыхлые и сцементированные). Эти породы, как правило, имеют стекловидную, скрытокристаллическую или порфировую структуру.

Осадочные горные породы образовались при естественном разрушении изверженных (первичных) горных пород под влиянием различных факторов, действующих в природе. В зависимости от условий образования осадочные горные породы делятся на три группы: механические отложения (обломочные), химические осадки и органические отложения.

Механические отложения (обломочные) получились в результате разрушения других горных пород под воздействием воды, ветра, колебаний температур, замораживания и оттаивания и других факторов. Среди них различают рыхлые породы и цементированные.

Химические осадки – породы, образовавшиеся при выпадении в осадок веществ, перешедших в состав водных растворов в процессе разрушения горных пород. Они образовались вследствие изменения условий среды, взаимодействия растворов различного состава и испарения.

Органические отложения – породы, образовавшиеся в результате отложения отмирающего растительного мира и мелких животных организмов (мел, ракушечник, диатомит, трепел, известняк).

Метаморфические горные породы образовались в результате видоизменений ранее сформировавшихся магматических или осадочных горных пород. Эти изменения связаны с процессами перекристаллизации без изменения химического состава. Эти изменения происходят под действием высокого давления и температуры. Особенностями строения таких пород является ихслоистость.

25

2.3. Разновидности материалов из природного камня

Природные каменные материалы используют для производства целого ряда конструкционных материалов как без достаточной последующей обработки (песок, гравий), так и с использованием соответствующей обработки.

Пески подразделяются на природные, дробленные из отсевов дробления. Размеры зерен песка колеблются от 0,16 до 5 мм.

К природным относятся пески, перенесенные водой (речные, озерные, морские), горные (овражные), а также дюнные и барханные.

Пески используют в качестве мелкого заполнителя в бетонах и растворах, при производстве стекла и керамики и др.

Гравием называют каменные окатанные обломки пород крупностью от 5 (иногда 3) до 70 (80) мм. Преобладающими породами, из которых состоят зерна гравия, являются граниты, гнейсы, диабазы, известняки, песчаники. Из-за недостаточного сцепления гравий не применяется в бетонах с пределом прочности выше 30 МПа. Крупные фракции гравия используют для дробления на щебень.

Гравий применяют для строительства покрытий переходного типа, оснований дорог, дренажных водоотводных сооружений, как крупный заполнитель в цементо- и асфальтобетонах.

Щебень получают дроблением каменных пород. Сырьем для получения щебня являются в основном изверженные и осадочные горные породы: гранит, габбро, диабаз, базальт, известняки, доломиты.

Щебень используют самостоятельно для строительства щебеночных слоев, как заполнитель в цементо – и асфальтобетонах.

Бутовый камень (бут) получают посредством отделения кусков породы взрывом или применяя ударный инструмент (перфораторы, кирки, ломы). Лучшими для получения бута являются плитовидные и слоистые породы. Бутовый камень имеет неправильную форму и различные размеры, но не более 50 см по наибольшему измерению.

Бутовый камень применяют для кладки фундаментов, мостовых устоев, укрепления откосов насыпей, кладки подпорных стен.

Шашка каменная для мощения дорог представляет собой грубоколо-

тые камни неправильной формы, приближающиеся к призме или усеченной пирамиде. Верхняя (лицевая) сторона шашки должна иметь форму четырехугольника или многогранника. Шашку используют для обыкновенного и рядового мощения дорог.

Стеновые камни и блоки – это каменные материалы правильной геометрической формы, изготовленные из известняков, туфов и других пористых

26

горных пород. Масса камней может достигать 40…45 кг. Блоки отличаются от камней большими размерами и массой (более 100 кг). По способу изготовления блоки и камни делят на пиленые, колотые и тесаные.

Применяют камни и блоки для кладки стен, а колотые из них – для фактурной кладки цоколей и стен монументальных зданий.

Облицовочные материалы из природного камня – это широкая но-

менклатура плит, плиток, фасонных и профильных элементов наружной и внутренней облицовки. Лицевая поверхность облицовочных материалов может иметь самую разнообразную фактуру.

Плиты для наружной облицовки изготовляют из твердых пород: гранита, габбро, кварцита, сиенита и др., а также из мрамора, известняка, туфа, доломита. Все облицовочные материалы изготавливают способом распиливания или раскалывания блоков-полуфабрикатов с последующей обработкой поверхности и кромок.

Кровельные плитки (природный шифер) изготовляют из глинистого сланца раскалыванием с последующей обрезкой. Форма плитки – прямоугольная или ромбическая. Кровельные плитки обладают высокими эксплуатационными свойствами. Используют такие плитки для устройства кровель, реже – для устройства тротуаров и полов.

2.4. Защита изделий из горных пород от разрушения

Основные причины разрушения изделий из горных пород – действие атмосферных осадков, влаги, газов, пыли, резкие изменения температур, замерзания воды в порах, действие ветра, воздействие химических веществ и др. Наиболее стойки против разрушения (коррозии) мелкозернистые, однородные по структуре горные породы (например, граниты, сиениты и др.).

Нередко причиной разрушения материала могут быть микротрещины, образующиеся при добыче и обработке каменного материала. Полиминеральные породы порой разрушаются от сильных морозов и солнечного нагрева вследствие различных коэффициентов линейного расширения породообразующих минералов. Карбонатные породы (известняки, мраморы, доломиты) разрушаются под действием воды, содержащей кислотные соединения. Возможно и биологическое разрушение камня мхами и лишайниками в порах.

Для защиты конструкций из природного камня применяют два способа защиты: конструкционный и химический.

Конструкционный предусматривает защиту конструкций от увлажнения путем обеспечения отвода стока воды, а также придания поверхности конструкции гладкости (полировка, шлифовка).

Химический способ защиты заключается в том, что для повышения стойкости материала на его поверхности и внутренней поверхности пор созда-

27

ют плотную, прозрачную водонепроницаемую пленку, практически нерастворимую в воде. Разновидностью этого способа является флюатирование или кремнефторизация поверхности, а также гидрофобизация путем пропитки пористого камня водоотталкивающими жидкостями. Флюатированию подвергают известняки, мрамор, доломит. В качестве флюатов используют соли магния, цинка, алюминия и др. Если пористый материал не относится к карбонатному, то перед флюатированием его поверхность обрабатывают хлористым кальцием. При гидрофобизации применяют кремнеорганические жидкости (ГКЖ, пасты, растворы парафина, стеарина в бензине, лаковом керосине).

При силикатировании поверхность обрабатывают раствором растворимого стекла с последующим введением кремнефтористого натрия или окиси свинца.

Наиболее простым способом защиты каменных материалов от коррозии является покрытие поверхности камня бесцветными или цветными пленкообразующими полимерными материалами. Разновидностью этого способа защиты является промывка поверхности камня раствором мономера с последующей полимеризацией мономера в порах камня при термокаталитической или радиационной обработке.

Долговечность хорошо защищенного от коррозии (выветривания) каменного материала может достичь 500…1000 лет и более.

Вопросы для самостоятельного изучения

1.Назовите основные минералы магматических горных пород. Дайте им характеристику.

2.Перечислите основные минералы осадочных и метаморфических горных пород.

3.Какие горные породы относятся к магматическим? Опишите их свойства и область применения в строительстве.

4.Назовите основных представителей осадочных и метаморфических горных пород. Какими они обладают свойствами? Где применяются в строительстве?

5.По каким показателям оценивают качество песка для строительных работ?

6.Перечислите основные показатели качества щебня (гравия).

7.Назовите основные причины разрушения каменных материалов в конструкциях и облицовке зданий и сооружений.

8.Приведите особенности технологии производства природных каменных материалов в зависимости от видов изделий.

9.Технико-экономическая эффективность применения природных каменных материалов.

28

Библиографический список рекомендуемой литературы

Основная литература

1.Микульский, В.Г. Строительные материалы (материаловедение и технология): учеб. пособие / В.Г. Микульский, Г.И. Горчаков, В.В. Козлов и др. – М.: ИАСВ, 2002. – 536 с.

2.Домокеев, А.Г. Строительные материалы / А.Г. Домокеев. – М.: Высшая школа, 1982. – 384 с.

3.Рыбьев, И.А. Строительное материаловедение: учеб. пособие для вузов / И.А. Рыбьев. – М.: Высшая школа, 2003. – 701 с.

4.Горчаков, Г.И. Строительные материалы / Г.И. Горчаков, Ю.М. Баженов. – М.: Стройиздат, 1986. – 687 с.

Дополнительная литература

1.Природные каменные материалы. Оценка качества песка и щебня для строительных работ: метод. указания к выполнению лаб. работ по дисциплинам «Материаловедение» и «Технология конструкционных материалов» / Воронеж. гос. арх.-строит. ун-т; сост.: В.В. Власов, Л.Н Адоньева, С.В. Черкасов, А.М. Усачев, Е.В. Баранов. – Воронеж,

2009. – 40 с.

2.Ицкович С.М. Технология заполнителей бетона / С.М. Ицкович, Л.Д. Чумаков, Ю.М. Баженов. – М.: Высшая школа, 1991. – 270 с.

3.Чернушкин, О.А. Технология конструкционных материалов: лабораторный практикум / О.А. Чернушкин, С.В. Черкасов, Ю.И. Калгин. – Воронеж. гос. арх.-строит. ун-т. – Воронеж, 2006. – 90 с.

4.Чернушкин, О.А. Технология конструкционных материалов: учеб. пособие для студ. спец. 270205 / О.А. Чернушкин, А.М. Усачев. – Воронеж. гос. арх.-строит. ун-т. – Воронеж, 2008. – 191 с.

Варианты тестовых заданий

29

30

31