Учебное пособие 800565

изменении химического состава материала.

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).

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

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

где m – масса зернистого материала, кг (г);

Vн – объем, занимаемый этой массой, м3 (см3);

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

Vпор – объем пор в зернах материала, м3 (см3);

Vпуст – объем межзерновых пустот, м3 (см3). Для одного и того же материала ρ > ρm > ρн.

1.2.2. Структурные характеристики

Строение материала характеризуется пористостью, а для рыхлых, сыпучих материалов также межзерновой пустотностью.

Пористость общая Побщ – процентное содержание в материале пор и пустот.

Размеры пор могут быть от миллионных долей миллиметра до нескольких миллиметров. Более крупные ячейки или полости называют пустотами.

Экспериментальный метод определения пористости основан на замещении порового пространства в материале сжиженным гелием или другой средой. Экспериментально-расчетный метод использует найденные опытным путем

11

значения истинной и средней плотности материала:

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. 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 увеличивают проницаемость, водопоглощение материала и ухудшают его морозостойкость и долговечность.

Закрытая пористость Пз образована изолированными порами, которые не имеют сообщения с внешней средой и при контакте с водой не заполняются ею.

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 – объемное содержание в рыхлозернистом материале межзерновых пустот.

Для рыхлозернистых и порошкообразных материалов межзерновую пустотность (%) определяют по формуле

где ρн – насыпная плотность материала, кг/м3 (г/см3); ρm – средняя плотность зерен материала, кг/м3 (г/см3).

1.2.3. Гидрофизические свойства

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

12

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

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

Влажность оказывает значительное влияние на долговечность материалов, их теплоизоляционные, электрические и другие свойства. В зависимости от окружающих условий влажность может меняться от 0 % до полного насыщения водой.

Гигроскопичность – способность материала поглощать пары влаги из окружающего воздуха. Гигроскопичность зависит как от свойств материала (величины и характера пористости), так и от условий внешней среды (температуры и относительной влажности). Материалы, которые хорошо впитывают влагу, называют гидрофильными. Материалы, отталкивающие влагу, называют

гидрофобными.

Капиллярное насыщение (всасывание) – процесс поднятия влаги по капиллярам материала, когда он частично находится в воде. В результате этого процесса грунтовые воды могут подниматься по капиллярам и увлажнять нижнюю часть стены здания. Для устранения сырости в помещениях устраивают гидроизоляционный слой, отделяющий фундамент от наземной части конструкции.

Водопоглощение – способность материала впитывать и удерживать воду при непосредственном соприкосновении с нею.

Различают водопоглощение материала по массе Вm и объему BV, которые

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

ρводы – плотность воды, г/см3.

13

Водопоглощения материала по объему и массе связаны между собой следующей зависимостью:

Водопоглощение строительных материалов колеблется в широких пределах: 0,02…0,7 % (для гранита), 2…4 % (для тяжелого бетона), 8…12 % (для кирпича), более 100 % (для теплоизоляционных материалов).

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

Водостойкость – способность материала сохранять прочность при увлажнении. Числовой характеристикой водостойкости является коэффициент размягчения Кр, который определяется по формуле

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

Воздухостойкость – способность материала выдерживать циклические воздействия увлажнения и высушивания без заметных деформаций и потери механической прочности.

Многократное увлажнение и высушивание вызывает в материале знакопеременные напряжения и со временем приводит к потере им несущей способности.

Водопроницаемость – способность материала пропускать воду под давлением. Характеристикой водопроницаемости служит коэффициент фильтрации Кф, который определяет количество воды, прошедшей через 1 м2 в течение 1 часа при заданном давлении.

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

Водонепроницаемость характеризуется периодом времени, по истечении которого появляются признаки просачивания воды под определенным давлением через образец материала (кровельные материалы), или предельной величиной давления воды, при которой она не проходит через образец (бетон).

14

Газо- и паропроницаемость – способность материала пропускать через свою толщу водяной пар или газы (воздух). Характеризуются коэффициентами газо- и паропроницаемости. 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 (керамика, древесина, ячеистые бетоны) при удалении влаги.

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

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

Морозостойкость материала количественно оценивается циклами (4 часа замораживании при - 18…- 20 0С, 4 часа оттаивания при + 18…+ 20 0С) и соответственно маркой по морозостойкости (F10, 15, 25, 35, 50, 75, 100, 150, 200, 500).

Материал считается морозостойким, если после заданного количества циклов замораживания и оттаивания потеря массы образцов в результате выкрашивания и расслаивания не превышает 5 %, а прочность снижается не более чем на 15…35 %.

Легкие бетоны, кирпич, керамические камни для наружных стен зданий обычно имеют марку по морозостойкости F15, 25, 35. Бетон, применяемый для строительства дорог и мостов, должен иметь марку F50, 100, 200; гидротехни-

ческий бетон – F500 [5, 13].

1.2.4. 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 теплопроводности λ.

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

В материалах теплота перемещается через твердый «каркас» и воздушные

поры. Так как теплопроводность воздуха очень мала (λвозд = 0,023 Вт/(м·0С)), по сравнению с теплопроводностью каркаса вещества, то материалы с большей

15

пористостью будут иметь меньший коэффициент теплопроводности.

С увеличением влажности материала теплопроводность возрастает, поскольку вода имеет коэффициент теплопроводности в 25 раз больший, чем у воздуха (λводы = 0,58 Вт/(м·0С)). Теплопроводность влажного материала также увеличивается при понижении температуры, особенно при замерзании воды в порах, так как коэффициент теплопроводности льда равен λльда = 2,3 Вт/(м·0С), что в 4 раза выше аналогичного показателя для воды.

Теплопроводность большинства строительных материалов увеличивается с повышением температуры. Это необходимо учитывать при выборе материалов для тепловой изоляции теплопроводов, котельных установок и др.

Показатели теплопроводности некоторых строительных материалов приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1 Показатели истинной, средней плотности, пористости и теплопроводности

некоторых строительных материалов

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

где δ – минимально допустимая толщина стены, м;

16

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

Теплоемкость – способность материала поглощать теплоту при нагревании и выделять – при остывании.

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 наибольшую теплоемкость – 4,19 кДж/(кг·0С), поэтому с повышением влажности материалов их теплоемкость возрастает.

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).

Для защиты материалов от возгорания применяют различные конструктивные меры, покрывают конструкции защитными составами.

Огнеупорность – способность материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры, не деформируясь и не расплавляясь.

По огнеупорности строительные материалы делятся на группы:

-огнеупорные, выдерживающие температуру более 1580 0С;

-тугоплавкие – 1350…1580 0С;

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

ленных печей.

Жаростойкость – способность материала выдерживать воздействие температур до 1000 0С без видимых деформаций и потерь прочности.

Термическая стойкость – способность материала противостоять воздействию циклически изменяющихся положительных температур. Это свойство в значительной степени зависит от однородности материала и коэффициента линейного температурного расширения. Коэффициент линейного температурного расширения является важной характеристикой для многокомпонентных строительных материалов. Для бетона и стали он практически одинаков и составляет

10·10-6 1/0С, для дерева – 20·10-6 1/0С, гранита - 8·10-6 1/0С.

Например, мономинеральные горные породы (мрамор) обладают большей термической стойкостью, чем полиминеральные (гранит) [5].

17

1.2.5. 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 и бариты (BaSO4).

1.3. Механические свойства

Механические свойства отражают способность материала сопротивляться различным нагрузкам, которые вызывают в них внутренние напряжения и деформации. Нагрузки делятся на статические (вес оборудования, мебели, людей, самих конструкций и т.д.) и динамические (взрывы, удары, землетрясения, ураганы, наводнения и т.д.).

При действии на материал механической нагрузки в нем возникают напряжения. Если величина внешней нагрузки больше напряжения, то материал разрушается. Если величина нагрузки невелика, то материал деформируется.

1.3.1. Деформационные свойства

Деформация – внешнее проявление напряжений в материале. Деформации бывают обратимыми (исчезающие после снятия нагрузки) и необратимыми (сохраняются после снятия нагрузки). Обратимые деформации могут быть упругими, исчезающими мгновенно, и эластичными, исчезающими со временем.

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 силы. Одной из основных величин, характеризующих это свойство, является модуль упругости (модуль Юнга), определяемый по формуле

где δ – напряжение, МПа;

18

ε – относительные деформации, определяемые по формуле

где ∆l – изменение длины, м;

l – первоначальная длина изделия, м.

Пластичность – свойство материала изменять форму и размеры под действием внешних сил без образования трещин разрывов и сохранять эту форму после снятия нагрузки (пластилин, глина).

Хрупкость – свойство материала разрушаться под воздействием внешних сил без заметных деформаций.

Текучесть – свойство материала деформироваться при постоянном нагружении без увеличения внутренних напряжений.

Ползучесть – свойство материала медленно деформироваться при воздействии нагрузок, меньших тех, которые способны вызвать деформации за обычный период.

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 – свойство материала самопроизвольно снимать внутреннее напряжение при неизменной деформации [5, 13].

1.3.2. 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.

Прочность материала оценивают пределом прочности, который равен максимальной нагрузке, которую показывает материал в момент своего разрушения. Значение 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. Образцы материала могут быть различной формы (рис. 1.2).

19